Hydrologie II · Inhaltsverzeichnis Seite 1. Regionale Hydrologie Deutschlands und Sachsens 5 1.1....

Technische Universität Bergakademie Freiberg Institut für Geologie Lehrstuhl für Hydrogeologie

Skript zum Modul

Hydrologie II

Modulverantwortlicher: PD Dr. Volkmar Dunger

Foto: V. 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 Bachelor-studium 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 Schwer-punkte 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 2015

Volkmar Dunger

Inhaltsverzeichnis

Seite

1. Regionale Hydrologie Deutschlands und Sachsens 5

1.1. Kennzeichnungsgrößen der regionalen Hydrologie 5 1.2. Regionale Hydrologie Deutschlands 5 1.2.1. Variabilität des Niederschlages in Deutschland 5 1.2.2. Schneeverhältnisse in Deutschland 10 1.2.3. Variabilität der potentiellen Verdunstung 12 1.2.4. Durchfluss, oberirdisches Fließgewässernetz 13 1.2.5. Standgewässer 15 1.2.6. Hydropedologie 16 1.3. Regionale Hydrologie Sachsens 18 1.4. Vertiefende Literatur zur regionalen Hydrologie 20 2. Dezentrale Versickerungsanlagen 21

2.1. Ziel und Notwendigkeit dezentraler Versickerungsanlagen 21 2.2. Arten dezentraler Versickerungsanlagen 22 2.3. Hydrologische Bemessung dezentraler Versickerungsanlagen 25 2.3.1. Vorbemerkungen 25 2.3.2. Hydrologische Bemessung von Anlagen zur Flächenversickerung 27 2.3.3. Muldenversickerung 27 2.3.4. Rigolen- und Rohrversickerung 28 2.3.5. Schachtversickerung 30 2.4. Vertiefende Literatur zu dezentralen Versickerungsanlagen 35 3. Grundwasserneubildung 36

3.1. Definition und Bedeutung 36 3.2. Verfahren zur Ermittlung der Grundwasserneubildung 36 3.2.1. Überblick 36 3.2.2. Wasserhaushaltsmethoden 37 3.2.2.1 Wasserkreislauf, Wasserhaushalt 37 3.2.2.2 Ermittlung aus Lysimeterdaten 38 3.2.2.3. Schlüsselkurven nach GABRIEL und ZIEGLER 40 3.2.2.4. Schlüsselkurven nach KRAFT und SCHRÄBER 44 3.2.2.5. BAGLUVA-Verfahren 46 3.2.2.6. Nutzung von Wasserwerksdaten 52 3.2.2.7. Regressionsgleichung nach RENGER & WESSOLEK, TUB-BGR-Verfahren 53 3.2.2.8. Bodenwasserhaushaltsmodelle 56 3.2.3. Nutzung des Durchflussverhaltens von Fließgewässern zur Ermittlung der 57 Grundwasserneubildung 3.2.3.1. Berechnung auf Basis monatlicher Niedrigwasserdurchflüsse (MoMNQ- 57 Verfahren nach WUNDT und KILLE) 3.2.3.2. Trockenwetterlinie nach WUNDT 58 3.2.3.3. Durchflussganglinien-Separationsverfahren 59

3.2.3.4. Voraussetzungen in Bezug auf die Nutzbarkeit von Informationen zum 60 Durchflussverhalten von Fließgewässern zur Ermittlung der Grundwasser- neubildung 3.2.4. Einsatz von Markierungsstoffen 61 3.2.4.1. Prinzip der Tracermessung 61 3.2.4.2. Chloridmethode 62 3.3. Vertiefende Literatur zur Grundwasserneubildung 63 4. Wasserhaushaltsmodellierung 65

4.1. Notwendigkeit von Wasserhaushaltsuntersuchungen 65 4.2. Das Modell BOWAM – ein Beispiel für die Modellierung des Boden- 67 wasserhaushaltes 4.2.1. Modellinhalt 67 4.2.2. Beispiele für BOWAM-Modellkalibrierungen/-validierungen 68 4.2.3. Beispiele für BOWAM-Modellanwendungen 73 4.3. Modellierung des Haldenwasserhaushaltes 74 4.3.1. Halden des ehemaligen Uranerzbergbaus der Wismut 74 4.3.2. Modellanwendung und -kalibrierung am Beispiel der Kalihalde Bleicherode 78 4.4. Modellierung des Wasserhaushaltes von Deponien 79 4.4.1. Besonderheiten des Wasserhaushaltes von Deponiekörpern 79 4.4.2. Wasserhaushalt von Oberflächensicherungen 80 4.4.3. Beispiele für Wasserhaushaltmodellierungen von Oberflächensicherungen 92 4.4.4. Nachnutzung von Deponien 114 4.5. Vertiefende Literatur zur Wasserhaushaltsmodellierung 117 Anhang 1: Übungen zum Modul Hydrologie II

Anhang 2: Anleitung zur Projektarbeit Wasserhaushaltsmodellierung

Skript zum Modul Hydrologie II

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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) 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: 800 mm/a - alte Bundesländer: 837 mm/a - neue Bundesländer: 630 mm/a

* große regionale Variabilität:

- Regenschatten Harz: ca. 400 – 450 mm/a - Alpen: ca. 1 200 – knapp 2 500 mm/a - weite Teile im Tiefland Ostdeutschlands: ca. 500 mm/a - weite Teile im Tiefland Nordwestdeutschlands: ca. 800 mm/a - Minimum: Station Atzendorf (südöstliches Harzvorland): 399 mm/a - Maximum: Station Balderschwang (Allgäu): 2 450 mm/a * Einflüsse auf regionale Niederschlagsunterschiede:

a) zunehmende Kontinentalität von West nach Ost abnehmende Jahressummen ( vgl. Bild 1.1): Beispiel: St. Peter-Ording an der Nordsee: 810 mm/a Marienleuchte/Ostsee: 560 mm/a beide Stationen auf gleichem Breitengrad

b) abnehmende Zyklonalität von Nord nach Süd ( weniger häufiges Auftreten von Tiefdruckgebieten theoretisch seltenere Niederschläge, aber: in Deutschland wegen c) wenig ausgeprägt)

c) zunehmende Orographie von Nord nach Süd ( Zunahme der Niederschlagshöhen) vgl. Bild 1.2

d) Gebirgsausrichtung: Luv-/Leebereiche mehr oder weniger deutlich ausgeprägt 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 s. Tabelle 1.1 und Bild 1.3


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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)


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Tabelle 1.1: Mittlere und extreme Jahresniederschlagsmengen für ausgewählte Stationen (Zeitraum 1961 – 1990, HAD, 2000)

Station

Mittel- wert

[mm/a]

Maxi- mum

[mm/a]

Abwei-chung

[%]

Jahr

Mini- mum

[mm/a]

Abwei-chung

[%]

Jahr

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

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)


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* saisonale Niederschlagsschwankungen:

- Verhältnis Sommer-/Winterniederschläge von Bedeutung für Wasserbilanzierungen und wasserwirt-schaftliche Planungen:

Auffüllung der Wasserressourcen im hydrologischen Winterhalbjahr Aufbrauch im hydrologischen Sommerhalbjahr

- Verhältnis Sommer-/Winterniederschläge in Deutschland: hydrologisches Sommerhalbjahr: 54 % des Jahresniederschlages hydrologisches Winterhalbjahr: 46 % des Jahresniederschlages

- Besonderheiten der Sommerniederschläge:

Überwiegen konvektiver Niederschläge (Schauerniederschläge) im Tiefland höheres Kondensationsniveau im Vergleich zum Winterhalbjahr advektive (Stau-)Niederschläge insbesondere im Hochgebirge (Alpen) und dessen Vorland,

wegen des hohen Kondensationsniveaus in den Mittelgebirgsregionen wenig ausgeprägt vgl. Bild 1.4

Bild 1.4: Langjährig mittlere Halbjahresniederschläge (Nord-Süd-Schnitt in 10 E 10 ' ö. L., HAD, 2000)

- Besonderheiten der Winterniederschläge:

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) vgl. Bild 1.5 o. g. Effekte überlagert durch zunehmende Kontinentalität mit wachsender Entfernung zum

Meer


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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 gegen-

über dem Festland - keine ausgeprägten Starkregen kurzer Dauer - Vertreter: Nordwestdeutsches Tiefland

Sommerniederschlagstyp:

- Niederschlagsminimum im Winter, Maximum im Sommer - Ursache: konvektive Niederschläge infolge der Erwärmung der Land-

flächen 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


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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) Abflussbildung

* hydrologisch relevante Parameter:

- mittleres Eintrittsdatum des ersten und letzten Schneedeckentages mittlere Schneedeckendauer deutliche NN-Höhenabhängigkeit vgl. Bild 1.7:

mittleres Eintrittsdatum des ersten Schneedeckentages: ca. 4 Tage früher je 100 m Höhenzunahme

mittleres Eintrittsdatum des letzten Schneedeckentages: ca. 7 Tage später je 100 m Höhenzunahme

- mittlere Schneedeckendauer:

mittlere Schneedeckendauer im Tiefland: Westdeutschland: < 20 d im Jahr Ostdeutschland: ca. 40 d im Jahr (mit großen Schwankungen von Jahr zu Jahr Beispiel s. Bild 1.8)

Kammlagen der Mittelgebirge: 150 – 200 d im Jahr

Kammlagen der Alpen: > 250 d im Jahr (Zugspitze: im Mittel 350 d im Jahr)

- mittleres Eintrittsdatum der maximalen Schneedecke:

im Tiefland: Mitte Januar Kammlagen der Mittelgebirge: Mitte bis Ende Februar Kammlagen der Alpen: Mitte März


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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)


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- Äquivalentwassergehalt der Schneedecke:

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: regelmäßige Ausbildung einer Schneedecke Niedrigwasserperioden im Hochwinter Abflussmaximum i. d. R. im Frühjahr (März, April) infolge Schneeschmelze, häufig ver-

bunden mit Regenfällen infolge einer zyklonalen Warmfront

- insbesondere in den Alpen: fast vollständige Zwischenspeicherung der Niederschläge in den Wintermonaten winterliches Abflussminimum infolge einer mehrmonatigen, ununterbrochenen Schneedecke sommerliches Abflussmaximum infolge Schneeschmelze und sommerlicher Starkregen-

ereignisse

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


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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 s. Bild 1.9

Bild 1.9: Entwicklung des Pegelnetzes im 19. und 20. Jahrhundert (HAD, 2000)

- Pegelanzahl 1995:

insgesamt: 4 241

davon: 561 Pegel des Bundes (Bundeswasserstraßen) 3 680 Pegel der Länder

- Pegeldichte (gegenwärtig):

gesamte Bundesrepublik: 1 Pegel für ca. 100 km2 Einzugsgebietsfläche

Pegeldichte: Rhein > Elbe > Donau > Weser/Ems > Oder > Küstengebiete


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- Durchflussmessungen im 18. und 19. Jahrhundert: Schwimmermessung Wasserrad hydrometrisches Pendel Waage

- Durchflussmessungen im 20. Jahrhundert: hydrometrischer Messflügel

* Hauptflussgebiete Deutschlands: 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

Nordsee 6 540

Oder 5 590 118 860 850

* Abflusswerte für Deutschland:

- Abflüsse sind Resultat des Wechselspiels von Niederschlag und realer Verdunstung und damit abhängig von einer Vielzahl regionaler Gegebenheiten:

Witterung und Klima vorrangige Gebietsnutzung 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):

westdeutsches Tiefland: verbreitet 100 … 300 mm/a ostdeutsches Tiefland: verbreitet 50 … 150 mm/a (Küstennähe bis 250 mm/a) westliche Mittelgebirge: 400 (Vorland) … 1 200 mm/a (Kammlagen) östliche Mittelgebirge: 300 (Vorland) … 900 mm/a (Kammlagen) Alpen: 400 (Vorland) … > 1 600 mm/a (Kammlagen)

- große Unterschiede im Abflussverhalten vor allem im hydrologischen Sommerhalbjahr: Tiefland: verbreitet < 100 mm/a, nicht selten (Ostdeutschland) < 50 mm/a östliche Mittelgebirge: nicht wesentlich höher westliche Mittelgebirge: bis ca. 400 mm/a (Schwarzwald) Alpen: in Kammlagen > 1 000 mm/a


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* 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):

Verhältnis mittlerer Hochwasserdurchfluss MHQ zu mittlerem Niedrigwasserdurchfluss MNQ Verhältnis Sommer- zu Winterabfluss

- Verhältnis MHQ/MNQ: generelle Abhängigkeit: je größer das Einzugsgebiet (der Fluss), je kleiner MQH/MNQ große Flüsse (außer Quellgebiete): MHQ/MNQ = 5 – 10, Mündungsgebiete: Nahe 5 kleinere Flüsse: MHQ/MNQ häufig 10 – 50, Bäche: nicht selten > 100 Gebirgsbäche (Mittel- und Hochgebirge): nicht selten > 200

- Verhältnis Sommer- zu Winterabfluss: vgl. Zusammenhänge Niederschlag/Schneedecke, s. o. kleinere Flachland und Mittelgebirgsbäche bzw. -flüsse: überwiegend Winterabflüsse (Winter-/

Sommerabfluss: Faktor 1,5 ... 4) große Flüsse: i. d. R. ausgeglichenes Verhältnis 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) 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 s. Bild 1.10

Bild 1.10:

Verteilung der Seeflächen in Deutsch-

land (HAD, 2000)


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* Seenlandschaften in Deutschland:

- Norddeutsches Tiefland: im Bereich der Grundmoränen und Urstromtäler trotz unterdurchschnittlicher Niederschläge hohe Seedichte infolge relativ dichten Unter-

grundes, geringer Reliefenergie und hoher Grundwasserstände breites Spektrum hinsichtlich Seegröße flächenmäßig größte Seen: Müritz, Schweriner See meist sehr geringe Seetiefe (< 10 m) z. T. (insbesondere im Berliner Raum) stark durchflossen

- nördliches Alpenvorland: wegen der vergleichsweise hohen Reliefenergie Entstehung von großen und tiefen Seen

(Bodensee, Chiemsee, Starnberger See, Ammersee), selten von kleineren Seen

- Seen im Mittelgebirge: Mittelgebirgsvereisung vereinzelt kleinere Seen (z.B. Karseen) künstliche Stauseen in ehemaligen Tälern künstliche Wasserspeicher, z. T. bereits im Mittelalter an Bächen und kleineren Flüssen

angelegt (Fisch- und Mühlweiher, bergbauliche Speicher)

- Seen im Bereich großer Flüsse: natürliche bzw. künstliche Altwasserarme: charakteristische Bogenform, i. d. R. sehr flach,

rasche Verlandung Baggerseen (infolge Kiesabbau)

1.2.6. Hydropedologie

* Definition und Kennwerte:

- Hydropedologie = Einfluss des Bodens auf hydrologische Prozesse (insbesondere Abflussbildung und Verdunstung)

- wesentliche Kennwerte: Tiefe des effektiven Wurzelraumes Feldkapazität (pF > 1,8) charakterisiert Haftwasser nutzbare Feldkapazität (pF 1,8 ... 4,2) charakterisiert pflanzenverfügbares Haftwasser Luftkapazität (pF < 1,8) 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 s. Bild 1.11

- Maß für das mögliche Wurzeltiefenwachstum

- We abhängig von: bodenphysikalischen Eigenschaften (hohe We-Werte für Schluff- und Tonböden) Nährstoffangebot (-mangel) pH-Wert (limitierend: insbesondere niedrige pH-Werte) Vegetationsart (Unterteilung zumindest hinsichtlich Acker- und Grünland sowie Wald)


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Bild 1.11:

Beispiel für die Ermittlung der effektiven Durchwurzelungstiefe (AG BODEN, 2005)

- Gebiete in Deutschland mit hohen We-Werten (vorrangig landwirtschaftlich genutzt): Löß- und Sandlößgebiete Mitteldeutschlands Tertiärhügelgebiete im Alpenvorland Talauen der großen Flüsse Kalkmarschgebiete an der Nordseeküste

- Gebiete in Deutschland mit geringen We-Werten (vorrangig forstwirtschaftlich genutzt): leichte Sandböden des Altpleistozäns (Brandenburg) Moorstandorte (Niedersachsen, Mecklenburg-Vorpommern) 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: Nieder- und Hochmoorgebiete (vor allem im Norddeutschen Tiefland) tonreiche Aueböden in den Flusstälern Lößgebiete Mitteldeutschlands

- Gebiete in Deutschland mit geringen FK-Werten: Mittel- und Hochgebirgsböden 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: analog den Gebieten mit hohen bzw. geringen We-Werten s. o.


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* Luftkapazität (LK):

- LK = Maß für das Wassertransportvermögen des Bodens

- Gebiete in Deutschland mit hohen bzw. niedrigen LK-Werten: LK verhält sich invers zur nFK und zum We hohe LK-Werte: Sandböden im Bereich der Alt- und Jungmoränengebieten sowie der pleisto-

zänen Niederungen geringe LK-Werte: auf Mittel- und besonders Hochgebirgsböden Ableitung von Aussagen zur regionalen hydrologischen Situation eines Gebiets in Deutschland Übungen 1 bis 3

1.3. Regionale Hydrologie Sachsens

* Wasserbilanz Sachsens:

- Wasserhaushaltsgrößen für Sachsen 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: Tiefland: 500 mm/a (Minimum: Station Gröditz: 486 mm/a) Kammlagen Erzgebirge: 1 200 mm/a (Maximum: Station Carlsfeld: 1 229 mm/a)

- Schwankungsbereich der langjährig mittleren potenziellen Verdunstung: ca. 400 mm/a (Kammlagen Erzgebirge) … ca. 650 mm/a (Nordsachsen. Lausitz)

- Schwankungsbereich der Abflüsse: ca. 30 mm/a (Elbtal im Raum Riesa/Strehla) … 910 mm/a (Westerzgebirge, Raum Carlsfeld)

* Fließgewässer:

- Pegeldichte (Stand: 2005): insgesamt 263 Messstellen, davon: Basisnetz (Landesnetz): 176 Messstellen Kontroll-, Steuer- und Sondermessnetz: 75 Messstellen Hochwassermeldepegel: 108 Messstellen

- Charakteristik Abflussgeschehen: hohe Winterabflüsse geringe Sommerabflüsse

- Hauptzahlen ausgewählter sächsischer Pegel Tabelle 1.4

* Standgewässer:

- Spezifik Sachsens: Vielzahl von Talsperren und Wasserspeichern im Zusammenhang mit der Wasserversorgung und der Bergbautätigkeit (kleine Reservoire ... große Tagebaurestlöcher)


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- Übersicht über Talsperren, Wasserspeicher und HW-Rückhaltebecken in Sachsen 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

Sachsen insgesamt 119 645,3 40 253,0 58 289,9 21 102,4

- bedeutende Talsperren in Sachsen: Eibenstock: 75,4 Mio. m3 Speicherinhalt Pöhl: 69,2 Mio. m3 Speicherinhalt Bautzen: 48,1 Mio. m3 Speicherinhalt Quitzdorf: 25,1 Mio. m3 Speicherinhalt Saidenbach: 22,4 Mio. m3 Speicherinhalt Lehnmühle: 21,9 Mio. m3 Speicherinhalt zum Vergleich: Talsperre Bleiloch/Harz (größter Speicher Deutschlands: 215 Mio. m3 )

- Speichervolumina ausgewählter Speicher ehemaliger Tagebaugebiete: Lausitz: Lohsa I und II mit 100,8 Mio. m3 Speicherinhalt Südraum Leipzig: Borna mit 97,1 Mio. m3 und Witznitz mit 27,2 Mio. m3 Speicherinhalt

- bergbauliche Speicheranlagen: Speicherbauwerke bis in das frühe Mittelalter zurück reichend, Beispiel: Freiberger Kunstgraben-

und Röschensystem (Kunstteiche mit fast 6 Mio. m3 Speicherinhalt in Summe) große wasserhaushaltliche Eingriffe in den Braunkohlengebieten Mitteldeutschlands (Lausitz,

Leipzig) nirgends in Deutschland in solch großem Umfang: 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) Wiederauffüllungszeitraum (ohne künstliche Anreicherung: bei ca. 50 – 100 mm/a ca. 50 – 100 a

- Nutzung von künstlichen Speicherräumen zur gezielten Grundwasseranreicherung: Beispiel: Speicherbecken Lohsa II mit ca. 97 Mio. m3 Speicherraum


20

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, ...)


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2. 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 quantitative und qualitative Aspekte * Notwendigkeit einer dezentralen Versickerung: - ständige Erhöhung der Oberflächenabflussmengen in der Vergangenheit bei gleichzeitiger Ver-ringerung der Versickerungs- und Grundwasserneubildungsmengen infolge Flächenversiegelung zunehmende Hochwassergefahren Verknappung der unterirdischen Wasserressourcen - Notwendigkeit entsprechender Ausgleichsmaßnahmen: Vermeidung/Minimierung der Bodenversiegelung bei der Planung (versickerungsfreundliche Wege/Straßen, Dächer) gezielte Entsiegelung von bereits versiegelten Flächen (Flächenumgestaltung) 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 wasserrechtliche Erlaubnis (nach Wasser- haushaltsgesetz wegen des Faktes der Einleitung in ein Gewässer) - Entscheidungskriterien in Bezug auf eine Erlaubnis: anthropogene Einträge über den Luftpfad (trockene und nasse Deposition) Belastung des Infiltrationswassers mit Schadstoffen Pufferwirkung der Auffang- und Infiltrationsflächen Pufferwirkung des Untergrundes (obere Bodenzone, Aerationszone) 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)


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* 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 kleinster Grundwasserflurabstand: mindestens 1 m, Mittel der Jahresniedrigstwerte) 2.2. Arten dezentraler Versickerungsanlagen * Überblick: - hauptsächlich angewendete Versickerungsanlagen: Flächenversickerung Muldenversickerung Rigolen- und Rohrversickerung Schachtversickerung - Anwendung je nach zu versickernden Niederschlagsmengen und Untergrundverhältnissen * Gegenüberstellung der Verfahren: s. Tabelle 2.1 Es gibt kein Universalverfahren! Tabelle 2.1: Gegenüberstellung dezentraler Versickerungsanlagen (GEIGER, DREISEITL, 1995) Versickerungsanlage kf-Wert Oberfläche Filter- wirkung Flächen- bedarf Aufwand/ Kosten Flächenversickerung ++ ++ ++ -- Muldenversickerung + ++ + - Rigolenversickerung - - +/- + Rohrversickerung - -- - + Schachtversickerung +/- -- -- ++ * Flächenversickerung: - Oberflächenversickerung ohne Wasseraufstau auf sehr gut wasserdurchlässigen Flächen: direkte Versickerung: Splitt, Kies, wasserdurchlässige Pflasterung indirekte Versickerung: in Randbereichen versiegelter Flächen (Sportplätze, Schulhöfe, …) - prinzipieller Aufbau s. Bild 2.1 (Beispiel: befestigter Weg)

Bild 2.1:

Vertikalaufbau eines befestig-ten Weges mit Flächenver-sickerung (GEIGER, DREISEITL, 1995)


23 - Vorteile: naturnahe Form der Versickerung direkt über die obere Bodenzone hohe natürliche Filterwirkung in der oberen Bodenzone (in Abhängigkeit von den Eigenschaften insbesondere des Oberbodens) geringer Bauaufwand (bei günstigen Untergrundverhältnissen nur Profilierung notwendig) geringe Kosten - Einsatzbereiche: Hofflächen, Zufahrten Wege: Park-, Fuß-, Radwege, ländliche Wege Campingplätze, Sportanlagen * Muldenversickerung: - Oberflächenversickerung in Mulden auf Flächen, bei denen die Wasserdurchlässigkeit gut, aber geringer ist als der Niederschlagszufluss - prinzipieller Aufbau s. Bild 2.2 - zwischenzeitlicher Aufstau und Wasserspeicherung vgl. auch Bild 2.2

Bild 2.2:

Vertikalaufbau einer Anlage mit Mulden-versickerung (GEIGER, DREISEITL, 1995) - Vorteile: ebenfalls naturnahe Form der Versickerung über die obere Bodenzone hohe natürliche Filter- wirkung meist noch geringer baulicher Aufwand meist geringe Kosten - Nachteil: ggf. hoher Flächenbedarf - Einsatzbereiche: Grundstücke mit großen, nicht bewirtschafteten Grünflächen Fuß- und Radwege, ländliche Wege befestigte (versiegelte bzw. teilversiegelte) Plätze


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* Rigolen- und Rohrversickerung: - oberirdisch: Infiltration des Niederschlagswassers in einem kiesgefüllten Graben (Kiesrigole) u./o. - unterirdisch: Versickerung über einen perforierten kieshinterfüllten Rohrstrang (Drainrohr) - prinzipieller Aufbau s. Bild 2.3 - zwischenzeitlicher Aufstau und Wasserspeicherung - Vorteile: Einsatz auch auf Flächen mit nur mäßigem natürlichem Infiltrationsvermögen der Oberfläche (Kiesrigole) oder gering mächtigen undurchlässige Schichten (Drainrohr) möglich 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 Rigolenversik-kerungsanlage (hier in Kom- bination mit einer Muldenver- sickerung), GEIGER, DREISEITL

(1995) - Nachteile: Abtrag oder Umgehen der oberen Bodenzone keine Filterwirkung des Oberbodens geringerer Grundwasserschutz ggf. vorherige Reinigung (Filter) höherer Bauaufwand gegenüber der Flächen- und Muldenversickerung höhere Kosten - Einsatzbereiche: ---> bei geringem Infiltrationsvermögen der Oberfläche und bei Altlasten * Schachtversickerung: - Versickerung des Niederschlagswassers durch einen Schachtbrunnen (Aufbau s. Bild 2.4) - zwischenzeitlicher Aufstau und Wasserspeicherung - Vorteile: Einsatz auf Flächen, auf denen eine oberflächliche Infiltration unmöglich ist, der Untergrund aber gute Versickerungsbedingungen aufweist (z. B. bei oberflächennaher Bedeckung) geringer Flächenbedarf Einsatz auf Flächen, auf denen die Versickerung aus Gründen des Grundwasserschutzes nicht oberflächennah durchgeführt werden kann (z. B. bei oberflächennaher Bodenbelastung)


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Bild 2.4:

Vertikalaufbau einer Schacht- versickerungsanlage (DWA-A

138, 2005) - Nachteile: Versickerung unterhalb der oberen Bodenzone keine Filterwirkung des Oberbodens geringer Grundwasserschutz vorherige Reinigung (Filter) angeraten hoher Bauaufwand hohe Kosten - Einsatzbereiche: in dicht bebauten Gebieten auf Flächen mit geringem Infiltrationsvermögen der Oberfläche in Talauen mit Auelehm über Kiesen/Sanden bei Altlasten 2.3. Hydrologische Bemessung dezentraler Versickerungsan-

lagen 2.3.1. Vorbemerkungen * Bemessungsgrundlagen: - Informationen zum Bemessungsregen - Informationen zum kf-Wert der Oberfläche (ggf. der Schicht des Untergrundes, in der die Ver-sickerung erfolgen soll) in vertikaler Richtung Infiltrationsvermögen - Informationen zur Geometrie (Flächenbedarf, Flächenverfügbarkeit) * Informationen zum Bemessungsregen: - Häufigkeit n (bzw. Wiederkehrsintervall T): meist angesetzt: n = 0,2 a-1 T = 5 a - Regendauer PD: für Versickerungsanlagen ohne Wasserzwischenspeicherung (Flächenversickerung): meist angesetzt: PD = 10 min (kleine, geneigte Flächen) PD = 15 min (große u./o. flach geneigte Flächen) ansonsten: PD = f(Speichervolumen) Berechnung s. u. im Rahmen der (überschlägigen) Vorbemessung: PD = 30 min


26 - Regenmenge P: 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): aus KOSTRA-Atlas des DWD aus Niederschlagsmengen-Dauer-Häufigkeits-Untersuchungen ( vgl. Skript Hydrologie I, Abschnitt 3.5) Berechnung aus Basisbemessungsregenspende unter Verwendung der REINHOLD-Formel ( vgl. ebenfalls Skript Hydrologie I, Abschnitt 3.5) 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 ( s. Skript Hydrologie I, Abschnitt 5.6.2) praktische Anwendung s. Übung 5 - Schurfversickerung - Bohrlochversickerung - Durchströmungsversuch im Labor - aus der Kornverteilungskurve - Methodik der Bestimmung s. Modul Hydrogeologie - Vorsicht bei der Übertragung von Literaturwerten! gelten i. d. R. für den horizontalen Fluss im Grundwasserleiter kf, h auf Grund der Anisotropie nicht auf den vertikalen Fluss (kf, v ) übertragbar kf, h i. d. R. mindestens um den Faktor 10 höher als kf, v - Infiltrationsbereich befindet sich in der Aerationszone nicht kf,v sondern ku, v (ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit) entscheidend ku, v = f(Wassersättigung, Bodenart, Bodengefüge) ku, v < kf, v ( vgl. auch Skript Hydrologie I, Abschnitt 5.6.2) nichtlineare Zusammenhänge 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)


27 - Kleinsteinpflaster ohne Fugenverbund: kf, v $ 2 * 10 -5 / AF (2.2) mit: kf, v - minimale gesättigte hydraulische Leitfähigkeit in vertikaler Richtung [m/s] AF - Anteil Fugenfläche/Gesamtfläche [ ] - bei indirekter Versickerung in Randbereichen versiegelter Flächen: gleichmäßiger Übergang aus der versiegelten Fläche in die Versickerungsfläche Versickerungsfläche aus Gründen des Gewässerschutzes begrünen 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 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 = (2.5) 10 7 kf, v / 2 PS (PD , T) – 1 mit: AS - minimal notwendige Versickerungsfläche [m2 ] Ared - angeschlossene befestigte Flächen [m2 ] kf, v - gesättigte hydraulische Leitfähigkeit in vertikaler Richtung [m/s] PS (PD , T) - 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 Versickerungsfläche As vorgegeben von Interesse: notwendiges Speichervolumen der Versickerungsmulde VS


28 - Speichervolumen der Versickerungsmulde VS ergibt sich aus der Differenz zwischen Niederschlags- volumen während der Regendauer 3(QZ * PD ) und dem Infiltrationsvolumen 3(QS * PD ) 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 (2.6) mit: VS - notwendiges Speichervolumen der Versickerungsmulde [m3 ] QZ - Zuflussmenge [m3 /s] QS - Infiltrationsmenge [m3 /s] Ared - angeschlossene befestigte Flächen [m2 ] AS - verfügbare Versickerungsfläche [m2 ] PS (PD , T) - Regenspende mit der Regendauer PD und dem Wiederkehrsintervall T [l/(s ha)] PD - Regendauer [min] kf, v - 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 maximales VS maßgebend für die Bemessung 2.3.4. Rigolen- und Rohrversickerung * Berechnungsgleichungen: - wiederum (analog Muldenversickerung) Anwendung der Kontinuitätsgleichung - Voraussetzungen bei der Berechnung: Vernachlässigung von Wasserstandsänderungen (Aufstauhöhe) in der Rigole bzw. im Versicke- rungsrohr beim hydraulischen Gefälle und folglich bei der Berechnung der ungesättigten Filter- geschwindigkeit vf, u : vf, u = 0,5 kf (2.7) mit: vf, u - ungesättigte Filtergeschwindigkeit [m/s] kf - gesättigte hydraulische Leitfähigkeit (Kf-Wert) [m/s] - versickerungswirksame Rigolenfläche AS,W: Rigolenlänge L * wirksame Rigolenbreite bW wirksame Rigolenbreite bW: - Breite der Rigole an der Sohle b - (kurzzeitige) Füllung der Rigole wird berücksichtigt: Füllung = 0 Füllung = vollständig = h Füllung = 0 Mittel: 0,5 h (h - Rigolenhöhe) vgl. Bild 2.5 - insgesamt wirksame Rigolenbreite bW: Rigole in bindiger Schicht: bW = b (b – Rigolenbreite vgl. Bild 2.5)


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Bild 2.5:

Potentiale und Stromlinien bei der Rigolenversickerung Rigole in nicht bindiger Schicht: bW = b + 0,5 h (2.8) mit: bW - wirksame Rigolenbreite [m] b - Sohlbreite der Rigole [m] h - nutzbare Höhe der Rigole [m] 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 s. Gleichung 2.8) - Versickerungsmenge: QS = vf, u * AS, W (2.10) mit: QS - Versickerungsmenge [m3 /s] (alle anderen Größen s. Gleichungen 2.7 - 2.9) - notwendiges Speichervolumen der Rigole durch Anwendung der Kontinuitätsgleichung: 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) geschlossene Rigole, nicht bindige Schicht: VS = Ared * 10 -7 * PS (PD , T) * PD * 60 – bW * L * PD * 60 * 0,5 kf, v (2.11 b) mit: VS - notwendiges Speichervolumen der Rigole [m3 ] Ared - angeschlossene befestigte Flächen [m2 ] AS - verfügbare Versickerungsfläche [m2 ] PS (PD , T) - Regenspende mit der Regendauer PD und dem Wiederkehrsintervall T [l/(s ha)] PD - Regendauer [min] bW - wirksame Rigolenbreite [m] Bestimmung s. o. L - Rigolenlänge [m] kf, v - gesättigte hydraulische Leitfähigkeit in vertikaler Richtung [m/s]


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* praktische Anwendung der Kontiniutätsgleichung): - bei der hydrologischen Planung b und h vorgegeben (resultierend aus Schachtmaßen) Zielgröße der Berechnung notwendige Rigolenlänge L Berechnung von L unter Berücksichtigung der Tatsache, dass nur ein Teil des Rigolenvolumens tatsächlich für die Wasserspeicherung zur Verfügung steht für die Wasserspeicherung zur Verfügung stehend: abhängig vom Speichervermögen s (Speicher- koeffizient) Kontinuitätsgleichung (spezielle, anwendungsorientierte Form): Ared * 10 -7 * PS (PD , T) * PD * 60 L = ─────────────────────── (2.12) b * h * s + bW * PD * 60 * 0,5 kf, v mit: s - Speicherkoeffizient (verschieden für Rigolen- bzw. Rohrversickerung, s. u.) [ ] (alle anderen Größen s. Gleichungen 2.11a und 2.11 b) * Anwendung der Berechnungsgleichung (Gleichung 2.12): - Ermittlung des Maximums von L (analog zur Muldenversickerung vgl. Abschnitt 2.3.3) - da PS von PD abhängig ist und diese Größen L beeinflussen, ist L für verschiedene Regendauern PD zu ermitteln maximales L maßgebend für die Bemessung - Speicherkoeffizient s verschieden für Rigolen- bzw. Rohrversickerung - s für Rigolenversickerung: s = n (2.13) mit: s - Speicherkoeffizient [ ] n - Gesamtporenanteil [ ] - s für Rohrversickerung: dN 2 * 0,25 π + n (b * h – dA2 * 0,25 π) s = ────────────────────────── (2.14) b * h mit: s - Speicherkoeffizient [ ] dN - Innendurchmesser des Versickerungsrohres [m] dA - Außendurchmesser des Versickerungsrohres [m] (Innendurchmesser + Wandungsstärke d) n - Gesamtporenanteil [ ] b - Sohlbreite der Rigole, in der das Versickerungsrohr liegt [m] h - 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 Bild 2.6 - nicht versickerungswirksam: innere Sohlfläche des Schachtes (Kolmation infolge Feinstoffeintrages) im Verlaufe des Betriebes


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Bild 2.6:

Potentiale und Stromlinien bei der Schachtver- Sickerung (GEIGER, DREISEITL, 1995) - versickerungswirksam: Kreisring um den Schacht herum ( vgl. Bild 2.6): Innenradius: = Schachtringaußendurchmesser Außenradius: Innenradius + 0,5 * Wasserstandshöhe über der Schachtsohle versickerungswirksame Fläche AS, W: AS, W = π [(R + 0,5 z) 2 – R 2 ] = π (R * z + 0,25 z 2 ) (2.15) mit: AS, W - versickerungswirksame Fläche des Schachtes [m2 ] R - Innenradius R1 + Wandungsstärke des Schachtes d [m] z - Wassertiefe im Schacht [m]

* Berechnungsgleichungen: - Versickerungsmenge des Versickerungsschachtes: QS = [kf, v (lS + z)/(2 lS + z)] π (R z + 0,25 z 2 ) (2.16) mit: QS - Versickerungsmenge [m3 /s] lS - Abstand Schachtsohle/Grundwasserspiegel [m] (alle anderen Größen s. Gleichung 2.15) - notwendiges Speichervolumen des Schachtes (Anwendung der Kontinuitätsgleichung in der allgemeinen Form für ein beliebiges Zeitintervall): Speicheränderung = Zufluss – Versickerung


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 s. Abschnitt 6.5.4): meist Δt = 5 min für PD # 30 min 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 )] (2.17) mit: ΔVS - Änderung des Speichervolumens des Schachtes innerhalb von Δt [m3 ] VS, i - Speichervolumen des Schachtes am Ende des Zeitschrittes i [m3 ] VS, i - 1 - Speichervolumen des Schachtes zu Beginn des Zeitschrittes i [m3 ] Δt - Zeitintervall [s] QZ, i - Zufluss zum Schacht im Zeitintervall i - 1 bis i, QZ, i = const. [m3 ] QS, i - Versickerung aus dem Schacht am Ende des Zeitschrittes i [m3 ] QS, i - 1 - 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 (2.18) mit: zi - Wasserspiegel im Schacht zum Zeitpunkt i [m] VS, i - Speichervolumen des Schachtes am Ende des Zeitschrittes i [m3 ] R1 - 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) Max. - Algorithmus (vorheriger Anstrich) für verschiedene Regendauern PD durchführen, dann VS, max (bzw. zmax ) für die einzelnen Regendauern miteinander vergleichen größtes VS, max (bzw. größtes zmax ) der Bemessung des Schachtes zugrunde legen * praktische Anwendung der Kontiniutätsgleichung: - bei der hydrologischen Planung Vereinfachungen des oben beschriebenen Algorithmus - Näherungsverfahren: Bemessung grundsätzlich für ein Wiederkehrsintervall von 5 Jahren Vernachlässigung des Einflusses von lS (Abstand Schachtsohle zum Grundwasserspiegel) Verwendung genormter Schachtringe (DN 1 000, 1 200, 1 500 bzw. 2 000, d. h. mit Innendurch- messern von 1 – 2 m) angeschlossene befestigte Fläche Ared je Schacht: 200 - 400 m2 (Erfahrungswerte) unter diesen Voraussetzungen tabellarische Lösung möglich s. Tabellen 2.2 - 2.5 lineare Interpolation zwischen Ared = 200 und 400 m2 , Extrapolation bis 100 m2 lineare Interpolation zwischen PS(15,1) = 100 und 200 l/(s ha), Extrapolation bis 80 l/(s ha) lineare Interpolation bei anderen als in den Tabellen 2.2 - 2.5 angegebenen kf, v-Werten Bemessung dezentraler Versickerungsanlagen mittels Näherungsverfahren s. Übung 4


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Tabelle 2.2: Bemessung von Versickerungsschächten mit Schachtringen DN 1 000 (MAHABADI, 2001)

PS kf, v Ared = 200 m2 Ared = 400 m2

l/(s ha) m/s z [m] VS [m3 ] QS [l/s] PD[min] z [m] VS [m3 ] QS [l/s] PD[min]

100 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

200 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 Tabelle 2.3: Bemessung von Versickerungsschächten mit Schachtringen DN 1 200 (MAHABADI, 2001)



100 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

200 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


34

Tabelle 2.4: Bemessung von Versickerungsschächten mit Schachtringen DN 1 500 (MAHABADI, 2001) PS kf, v Ared = 200 m2 Ared = 400 m2


100 5*10-3

1*10-3

5*10-4

1*10-4

5*10-5

1*10-5

5*10-6

1*10-6

0,58

1,20

1,49

2,09

2,28

2,59

2,67

2,73

1,02

2,11

2,63

3,68

4,03

4,58

4,72

4,82

4,63

2,28

1,52

0,49

0,28

0,07

0,04

0,01

5

15

20

50

70

> 150

> 150

> 150

1,08

2,19

3,75

3,96

4,38

5,08

5,27

5,44

1,91

3,87

4,86

6,99

7,74

8,98

9,31

9,61

9,96

5,29

3,73

1,33

0,79

0,20

0,11

0,02

5

15

20

40

55

125

> 150

> 150

200 5*10-3

1*10-3

5*10-4

1*10-4

5*10-5

1*10-5

5*10-6

1*10-6

1,08

2,19

2,75

3,96

4,38

5,08

5,27

5,44

1,91

3,87

4,86

6,99

7,74

8,98

9,31

9,61

9,96

5,29

3,73

1,33

0,79

0,20

0,11

0,02

5

15

20

40

55

125

> 150

> 150

1,92

3,90

4,92

7,29

8,20

9,80

10,27

10,82

3,39

6,89

8,69

12,89

14,49

17,32

18,16

19,12

21,75

12,99

9,61

3,68

2,41

0,68

0,37

0,08

5

10

15

30

45

100

140

> 150 Tabelle 2.5: Bemessung von Versickerungsschächten mit Schachtringen DN 2 000 (MAHABADI, 2001)



100 5*10-3

1*10-3

5*10-4

1*10-4

5*10-5

1*10-5

5*10-6

1*10-6

0,40

0,79

0,95

1,26

1,35

1,49

1,52

1,54

1,25

2,47

2,98

3,96

4,26

4,68

4,78

4,84

3,82

1,66

1,04

0,30

0,16

0,04

0,02

0,01

10

20

25

65

90

> 150

> 150

> 150

0,76

1,50

1,83

2,46

2,66

2,97

3,02

3,07

2,37

4,71

5,75

7,73

8,35

9,32

9,50

9,65

7,93

3,72

2,43

0,73

0,41

0,10

0,05

0,01

10

20

25

55

80

> 150

> 150

> 150

200 5*10-3

1*10-3

5*10-4

1*10-4

5*10-5

1*10-5

5*10-6

1*10-6

0,78

1,50

1,83

2,46

2,66

2,97

3,02

3,07

2,37

4,71

6,75

7,73

8,35

9,31

9,50

9,65

7,93

3,72

2,43

0,73

0,41

0,10

0,04

0,01

10

20

25

55

80

> 150

> 150

> 150

1,42

2,80

3,42

4,71

5,14

5,84

6,00

6,13

4,47

8,81

10,75

14,81

16,16

18,35

18,85

19,27

17,33

8,90

6,03

2,01

1,16

0,29

0,15

0,03

5

15

20

50

70

> 150

> 150

> 150


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


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 GW-Neubildungsmenge l/(s * km2) GW-Neubildungsspende l/s, m3/s GW-Neubildungsvolumenstrom

* Bildung von GW durch die Prozesse: - Infiltration und Versickerung von Niederschlägen bzw. Uferfiltration praktisch am bedeutsamsten - Kondensation in ariden/semiariden Gebieten unter günstigen Bedingungen möglich - Auspressung von Wasser bei der Sedimentation nur in geologischen Zeiträumen von Bedeutung - juvenile d. h. "jungfräuliche" Wässer (Entstehung z. B. bei der Differentiation des Magmas) 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

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 …) bedeut-sam (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 s. Bild 3.1

Bild 3.1:

Übersicht bezüglich der Methoden zur Ermittlung der Grundwasserneubil-dung


37

3.2.2. Wasserhaushaltsmethoden

3.2.2.1. Wasserkreislauf, Wasserhaushalt * Überblick s. Bild 3.2

Bild 3.2:

Zusammenwirken hydrologischer Prozesse des Wasserkreislaufs (GLUGLA U. A., 2003)

* allgemeine Wasserhaushaltsgleichung: Für ein beliebiges Gebiet ( 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 0 - bei Bilanzierung für ein abgeschlossenes Einzugsgebiet: RUi + RUi = 0 P = ETR + RO + RU (3.2) (Symbole s. Bild 3.3) - RU entspricht teilweise (im Fall des Auftretens von hypodermischem Abfluss RH auf wasser-stauenden Schichten innerhalb der Aerationszone) oder vollständig (bei RH = 0) der GWN


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 re- präsentativ

- konstruktive Gestaltung ( vgl. Bild 3.4): verschiedene Lysimeterdurchmesser, meist zwischen 0.5 m und 2.0 m Lysimeter sollte einen im Vergleich zur Umgebung wenig gestörten Bodenaufbau enthalten ähnliche thermische, wasserhaushaltliche und Bodeneigenschaften wie Umgebung Vegetation sollte der der Umgebung entsprechen (Höhe, Dichte, Aussehen) Messung der Sickerwassermengen und der Masseänderungen des Lysimeters (als Maß für die Bodenspeicheränderung) häufige Konstellation: Lysimeterfelder mit 2 oder mehr Lysimetern (statistische Sicherheit) bei Lysimetereinsatz zur ETP-Bestimmung: ständiges Feuchthalten des Lysimeters Problem in der Vergangenheit: Messung von Masseänderungen im Grammbereich bei Gesamtmassen der Lysimeter von einigen Tonnen Problem gelöst durch den Einsatz von pneumatischen und elektronischen Spezialgeräten (Genauigkeit: 0,05 mm) größte Anlagen: Oberflächen bis zu 8 m2 und 100 t Gesamtmasse - Anwendungsbereich wägbarer Lysimeter begrenzt auf Vegetation, die mittels Bodenmonolith erfassbar ist: z. B. geeignet für landwirtschaftliche Kulturen nicht geeignet für Waldstandorte Großlysimeter (s. u.), Energiebilanzmethode

Bild 3.4:

Prinzip des wägbaren Lysi-meters (Vertikalschnitt), aus SCHRÖDER U.A, (1994)


39 - Anwendung der Wasserhaushaltsgleichung zur Bestimmung der Versickerung: RU = P – ET (3.3) mit RU - Sickerwassermenge (Versickerung) [mm/Δt], gemessen an der Lysimeterbasis P - Niederschlag [mm/Δt] ET - 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 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): Störung des natürlichen Bodenfeuchteverlaufes durch Kapillarkräfte an der Lysimeterbasis (Stau-nässe) Verdunstungserhöhung (Abhilfe durch Einbau einer Kiesschicht an der Lysimetersohle bzw. durch Absaugen des Kapillarwassers) Randeffekte (bevorzugte Sickerwege an der Lysimeterwandung) Lysimeterverdunstung = Punktwert 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: 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 Bewuchs-arten DYCK, CHARDABELLAS, 1963)

Anwendung von Lysimeterdaten Übung 6


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) Grund-lage: geologische Karten, Bodenkarten: Teilgebiete mit schwerdurchlässiger Bedeckung Teilgebiete mit Mittlerem (gut wasserdurchlässig) und Oberem (stauend) Buntsandstein Teilgebiete mit Muschelkalk (im Prinzip undurchlässig, aber geklüftet) - Verwendung mittlerer Jahresniederschlagsmengen - Ermittlung des Oberflächenabflusses Schlüsselkurven - Ermittlung der GW-Neubildung Schlüsselkurven * Erläuterung der Arbeitsschritte am Beispiel der Ermittlung der GWN im Bereich eines Wasser-

werkes im Gebiet der Finne: - Lage: zwischen Bad Bibra und Eckhartsberga (Berandung: Finnestörung) - Entwässerung durch den Biberbach mit insgesamt 4 Teileinzugsgebieten s. Bild 3.6 - geologische Übersichtskarte s. Bild 3.7 - mittlerer Jahresniederschlag : 540 mm/a (unkorrigiert) - Gesamteinzugsgebietsfläche: 60,09 km2, davon ( Lage s. Bilder 3.7 bzw. 3.8): Teileinzugsgebiet A 1: 16,32 km2 Teileinzugsgebiet A 2: 19,84 km2 Teileinzugsgebiet A 3: 6,68 km2 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) Zusammenfassen zu einem Hydrotop möglich 4 geologische Einheiten werden 3 Hydrotope ca. 15 % Unterer Muschelkalk (Hydrotop 1) ca. 40 % Mittlerer Buntsandstein (Hydrotop 2) ca. 45 % Stauerbedeckung (Hydrotop 3)


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)


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) RO aus Schlüsselkurven: - RO für Muschelkalk (Hydrotop 1) und Buntsandstein (Hydrotop 2) s. Bild 3.8 - RO für Stauerbedeckung (Lehmboden, Hydrotop 3) s. Bild 3.9 - PEFF für die 3 Hydrotope: Hydrotop 1: 540 mm/a + 54 mm/a - 70 mm/a = 594 mm/a - 70 mm/a = 524 mm/a Hydrotop 2: 540 mm/a + 54 mm/a - 40 mm/a = 594 mm/a - 40 mm/a = 554 mm/a 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 für Hydrotop 1 (mu) s. Bild 3.10 für die Hydrotope 2 (sm) und 3 (lehmige Bedeckung) s. Bild 3.11 - GWN für die 3 Hydrotope: Hydrotop 1: GWN = 134 mm/a = 4,3 l/(s * km2) Hydrotop 2: GWN = 81 mm/a = 2,6 l/(s * km2) Hydrotop 3: GWN = 59 mm/a = 1,9 l/(s * km2)

Bild 3.8:

Schlüsselkurven zur Ermittlung des Ober-flächenabflusses der Trias (Bildgrundlage: GABRIEL, ZIEGLER, 1977)


43

Bild 3.9:

Schlüsselkurven zur Oberflächenabflusser-mittlung für verschie-dene Hauptbodenarten (Bildgrundlage: GABRIEL, ZIEGLER, 1977)

Bild 3.10:

Schlüsselkurven zur Ermittlung der mittle-ren GW - Neubildung im Muschelkalk (Bildgrund-lage: GABRIEL, ZIEGLER, 1977)

Bild 3.11:

Schlüsselkurven zur Ermittlung der mittle-ren GW - Neubildung im Buntsandstein (Bild-grundlage: GABRIEL, ZIEGLER, 1977)


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): 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) Hydrotop 2: GWN2 = 81 mm/a * 0,40 = 32,4 mm/a = 1,04 l/(s * km2) Hydrotop 3: GWN3 = 59 mm/a * 0,45 = 26,6 mm/a = 0,86 l/(s * km2) 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 ist folglich für eine Förderung nicht nutzbar Reduktion der GW-Neubildung in Abhängigkeit vom geologischen Untergrund (Klüftungsverhalten, Matrixporosität): hohe Reduktion im Falle des Altpaläozoikums: Reduktionsfaktor RF = 0,45 - 0,65 vergleichsweise geringe Reduktion im Falle des Unteren und Mittleren Buntsandsteins: RF = 0,6 – 0,8 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)

analoges Vorgehen (Punkte a – f) für alle übrigen Teileinzugsgebiete Vergleich mit den durch alle Wasserwerksbrunnen im Mittel geförderten Wassermengen 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 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, Geosynkli-naltyp, Grundgebirgstyp - Datengrundlage: über 150 Grundwasserfassungen (Brunnen) - Auswertung Schlüsselkurven der GW-Neubildung * Arbeitsschritte bei der Abarbeitung des Verfahrens: a) notwendige Informationen, Gültigkeitsgrenzen des Verfahrens: - notwendige Informationen: langjähriges Mittel des Jahresniederschlages (korrigiert) Gesteinstyp im Hinblick auf das Klüftungsverhalten Zerrüttungsgrad


45 - Gültigkeitsbereiche für messfehlerkorrigierte Jahresniederschläge P: 700 mm/a ≤ P ≤ 1200 mm/a (für reine Festgesteinsgebiete) 700 mm/a ≤ P ≤ 800 mm/a (für Festgesteins-GW-Leiter mit Lockergesteinsüberdeckung) b) Klassifikation des Festgesteinstyps: - Klassifikation hinsichtlich Klüftungsfreundlichkeit und Zerrüttungsgrad: klüftungsfreundliche und wenig klüftungsfreundliche Gesteine Zerrüttungsgrad des Gesteins: gering, mäßig, stark - Einordnung der Gesteine hinsichtlich Klüftungsfreundlichkeit in 2 Gesteinsgruppen s. Tabelle 3.1 - Maß für den Zerrüttungsgrad Transmissivität T (Profildurchlässigkeit, Produkt aus kf-Wert und durchströmter GW-Leitermächtigkeit) 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 s. Bild 3.12 - Schlüsselkurven für klüftungsfreundliche Festgestein (Gesteinsgruppe II) s. Bild 3.13


46

Bild 3.12:

Schlüsselkurven der Grund-wasserneubildung für wenig klüftungsfreundliches Fest-gestein (Gesteinsgruppe I), nach KRAFT, SZYMCZAK (1993)

Bild 3.13: Schlüsselkurven der Grund-wasserneubildung für klüf-tungsfreundliches Festge-stein (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 Gesamt-abflusses 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 RASTER-Verfahren, EDV-Lösungen - nach 1990 Weiterentwicklung durch die Bundesanstalt für Gewässerkunde, zunächst in Berlin, jetzt in Koblenz computergestützte Lösungen: ABIMO, BAGLUVA-Verfahren


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 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 BAGROV-Gleichung: d ETR ETR ──── = 1 – [ ─── ] n (3.5) d P ETP mit ETR - langjähriges Mittel der realen Jahresverdunstung [mm/a] ETP - langjähriges Mittel der potenziellen Jahresverdunstung [mm/a] P - langjährige korrigierte Jahresniederschlagsmenge [mm/a] n - Effektivitätsparameter [ ] (standortabhängige Effektivität der realen Verdunstung, s.u.) Berücksichtigung des Energiedargebots (repräsentiert durch ETP) Berücksichtigung des Feuchtedargebots (repräsentiert durch P) Berücksichtigung der Standortbedingungen (repräsentiert durch n) - Integration der BAGROV-Gleichung:

ETR d ETR P = ∫ ────────── (3.6) 0 1 - (ETR / ETP) n (alle Größen s. Gleichung 3.5) - Ergebnis der numerischen Integration s. Bild 3.14

Bild 3.14:

Graphische Umsetzung der BAGROV-Beziehung (nach DYCK U. A., 1978)


48 ►Ermittlung des Effektivitätsparameters n: a) Einflussgrößen auf n: - Landnutzung (Nutzungsform) - Bodenart - Grundwasserflurabstand b) Nutzungsform: - Einteilung der Nutzung des Gebietes in: Ackerland Waldflächen Gewässerflächen 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 s. Bild 3.15

Bild 3.15:Übersichtsschema des BAGLUVA-Verfahrens (GLUGLA U. A.., 2003)


49 - Vielzahl von Einflussfaktoren - komplizierte Verknüpfungen - i. d. R. komplizierte Gleichungssysteme - horizontal / vertikale Informationsverschneidungen n, ETR und GWN nur computergestützt ermittelbar BAGLUVA-Software der BfG Koblenz - Erläuterung der Herangehensweise bei der Abarbeitung des Verfahrens an Hand des methodisch sehr ähnlichen Vorgängerverfahrens (BAGROV-GLUGLA-Verfahren): (1) Unterteilung des Gesamtgebietes hinsichtlich verschiedener langjähriger mittlerer Gebiets- niederschlagswerte, ggf. Korrektur der Niederschlagswerte (2) Berücksichtigung von Wassermengen durch Beregnungsmengen WB (Beregnungsmengen sind zu den Werten des korrigierten Niederschlages zu addieren) (3) Ermittlung der langjährigen mittleren potenziellen Verdunstung (4) Ermittlung der Landnutzung (5) Ermittlung der Bodenart (6) Ermittlung des mittleren langjährigen Grundwasserflurabstandes (7) Berechnung der mittleren langjährigen kapillaren Wasseraufstiegsmengen aus dem GW: - Ermittlung der mittleren kapillaren Aufstiegshöhe zA: zA = zG – zW (3.7) mit zA - mittlere kapillare Aufstiegshöhe [dm] zG - mittlerer langjähriger Grundwasserflurabstand [dm] zW - mittlere jährliche effektive Wurzeltiefe [dm] 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 s. Tabelle 3.3 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: bei landwirtschaftlichen Kulturen: dK = 45 d (Halmfrüchte) - 90 d (Dauergrünland) bei Wald: dK = 90 d

Bild 3.16:

Mittlere jährliche effektive Wurzel-tiefe (DYCK, PESCHKE, 1995)


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 (3.8) mit 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) Addition zur mittleren langjährigen Niederschlagsmenge (ggf. korrigiert und unter Berück-sichtigung von Beregnungsmengen) (9) Bestimmung des Effektivitätsparameters n: - für Hydrotope mit forstlicher, landwirtschaftlicher, gärtnerischer Nutzung bzw. vegetations-losen Boden ohne Grundwassereinfluss (ohne kapillare Wasseraufstiegsmengen) in Ab-hängigkeit von der Bodenart mittels Bild 3.17 - für Hydrotope mit forstlicher, landwirtschaftlicher, gärtnerischer Nutzung bzw. vegetations-losen Boden mit Grundwassereinfluss (mit Kapillarwassermengen): Ermittlung ebenfalls mittels Bild 17 (ggf. Bild 3.18) Erhöhung von n (wegen GW-Einfluss höhere Effektivität der Verdunstung): um 20 % für WK(d) < 1,5 mm/d (WK(d) 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)


51

Bild 3.17: Nutzungsparameter n in Abhän-gigkeit 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 ( s. Bild 3.18)

Bild 3.18:

Nutzungsparameter n für forstliche Nutzung in Abhängigkeit von Boden-art und Baumalter BA [a] (DYCK, PESCHKE, 1995) (10) Ermittlung des X-Wertes der BAGROV-Beziehung (für Bild 3.14): X = (Pkorr + WK + WB ) / ETP (3.9) mit Pkorr - langjähriger mittlerer (korrigierter) Jahresniederschlag [mm/a] WK - mittlere jährliche kapillare Wasseraufstiegsmenge [mm/a] WB - langjährige mittlere Beregnungsmengen [mm/a] ETP - langjähriger mittlerer Wert der potenziellen Verdunstung [mm/a] (11) Ermittlung des Y-Wertes der BAGROV-Beziehung mittels Bild 3.14


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 (3.12) mit ETRm - mittlere reale Gebietsverdunstung [mm/a] ETRi - langjährige mittlere reale Jahresverdunstung des Hydrotops i [mm/a] ai - Wichtung des Hydrotops i Ai - Fläche des Hydrotops i A - 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 s. Gleichung 3.13) Anwendung des BAGROV-GLUGLA-Verfahrens 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 (3.15) mit: GWN - Grundwasserneubildung QWW - Fördermenge des Wasserwerkes AE - unterirdisches Einzugsgebiet des Wasserwerkes (Beispiel vgl. Bild 3.19)


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: ein Abstrom von GW zu natürlichen Vorflutern eine Infiltration aus Vorflutern zusätzliche GW-Entnahmen bzw. GW-Anreicherungen

Bild 3.19:

Beispiel für die Strömungsbedingun-gen 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: Jahresniederschlag Jahreswert der potenziellen Verdunstung nach HAUDE pflanzenverfügbares Bodenwasser Nutzung (Bewuchs) * Randbedingungen: keine Anwendung für innerjährliche Sickerwasserwerte Gleichung gilt für geringe Hangneigungen (RO 0) Ermittlung der Sickerwasserrate für Einzeljahre, aufbauend darauf Berechnung des langjährigen Mittels

Annahme: Auffüllung des Bodenspeichers am Ende des Winters auf Feldkapazität Jahreswerte beziehen sich auf den Zeitraum 01.04. – 31.03. des Folgejahres


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 WPFL – pflanzenverfügbares Bodenwasser [mm] s. Gleichung 3.17 ETP – potentielle Jahresverdunstung nach HAUDE [mm/a] (für den Zeitraum 01.04. – 31.03. des Folgejahres) Gleichung 3.18 a, b, c, d, e – Konstanten (tabellarische Werte für verschiedene Landnutzungen) 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 - pflanzenverfügbares Bodenwasser [mm] nFK - nutzbare Feldkapazität [mm] s. Tabelle 3.5 We - effektiver Wurzelraum [mm], bodenart- und bewuchsabhängig vgl. Tabelle 3.6 WK - jährliche kapillare Wasseraufstiegsrate [mm] Berechnung analog BAGLUVA-Verfahren Tabelle 3.5: Nutzbare Feldkapazitäten für ausgewählte Bodenarten (bei geringer Lagerungsdichte) Bodenart nFK [mm je 100 mm Schichtdicke] Sande: Grobsande Mittelsande Feinsande lehmig-schluffig-tonige Sande Schluffe Lehme Tone humose Sande, Schluffe, Lehme, Tone (15 - 30 % organische Substanz) Hochmoortorf Niedermoortorf

6 – 8 8 – 10 10 – 16 18 – 26 26 – 28 19 – 24 19 – 21 ca. 37 55 – 75 60 – 65


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Tabelle 3.6: Effektive Wurzelräume für einjährige Nutzpflanzen Bodenart We [mm] Sande Schluffe Lehme Tone humose Sande, Schluffe, Lehme, Tone (15 - 30 % organische Substanz) Hochmoortorf Niedermoortorf Festgesteinszersatz

500 – 900 1000 – 1100 1000 – 1100 1000 1000 200 400 100 ETPHaude = f [es (T) * (1 – RLF/100)] (3.18) mit ETPHaude - potenzielle Evapotranspiration nach HAUDE [mm] T - Lufttemperatur zum Messzeitpunkt 14.00 Uhr MEZ [oC] RLF - relative Luftfeuchtigkeit zum Messzeitpunkt 14.00 Uhr MEZ [%] f - monatsabhängiger HAUDE-Faktor [mm/(hPa * d)], (vgl. Tabelle 3.7) es - 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)] Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez f 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)) für T ≥ 0 °C (3.19) es = 6,11 * e (22,46 T / (272,62 + T)) für T < 0 °C (3.20) mit es - Sättigungsdampfdruck der Luft über Wasser [hPa] T - Lufttemperatur zum Messzeitpunkt 14.00 Uhr MEZ [oC]

Anwendung des Verfahrens nach RENGER und STREBEL s. Übung 7

* Weiterentwicklung und Verfeinerung: TUB-BGR-Verfahren nach WESSOLEK:

► Weiterentwicklungen und Verfeinerungen betreffen: - Verwendung der Grasreferenzverdunstung (PENMAN-MONTEITH-Formel mit festen Bewuchs-parametern für eine stets 12 cm hohen Grasvegetation) anstelle der HAUDE-Formel - rechentechnische Umsetzung EXCEL-Programm der TU Berlin Ablaufschema s. Bild 3.20 ► Beachte: - auch TUB-BGR-Verfahren liefert Sickerwassermengen SW aus dem Boden - SW = GWN, falls RH = 0


56

Bild 3.20:

Ablaufschema des TUB-BGR-Verfahrens (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 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 s. Abschnitt 4


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) 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 s. Bild 3.21 - Einzeichnen einer Ausgleichsgeraden durch die Punktfolge ohne Berücksichtigung des oberen RO- und RH-beeinflussten Bereiches (vgl. Bild 3.21) - Ermittlung des langjährig mittleren NQ-Wertes (MoMNQ) 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 Umrechnung in Maßeinheiten, die in der Hydrologie gebräuchlich sind in l/(s km2 ) bzw. mm/a: GWN [l/(s km2 ] = GWN [l/s] / AE [km2 ] hier: GWN = 150 l/s / 54,3 km2 = 2,8 l/(s km2 ) GWN [mm/a] = GWN [l/(s km2 ] * 31,5 hier: GWN = 2,8 l/(s km2 ) * 31,5 = 87 mm/a

Anwendung des MoMNQ-Verfahrens Übung 8


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Bild 3.21:

Summenhäufigkeitsverteilung der MoNQ-Werte 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 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 GW-Neubildung der Vergangenheit genutzt werden mind. tägliche Durchflussmessungen notwendig - Durchflüsse jedoch unter mitteleuropäischen Witterungsbedingungen auch in Trockenperioden durch zwischenzeitliche Niederschläge gestört 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 Durchflussganglinie - abschnittsweises Verschieben der Abschnitte der Durchflussrückgänge Beseitigung der Störungen der Durchflussganglinie durch Niederschlagsereignisse ausschließliche Betrachtung von Zeiten ohne Niederschlag (RO + RH = 0) 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 Übung 9


59

Durchflussganglinie Trockenwetterlinie Trockenperiode

Bild 3.22:

Ermittlung der Trockenwetter-linie aus der Durchflussgang-linie (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 Einzellinear-speichers: 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 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) entsprechend Bild 3.23


60

Bild 3.23: Prinzip der Ganglinienseparation (GRUNSKE, 1975) - Konstruktion von Ausgleichsgeraden der GW-Auslauflinien entsprechend Bild 3.23 Ausgleich der flachen Rückgangsabschnitte (entspricht dem Anstieg der Abflusskomponente RG) durch Geraden 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 Fällen der Lote von den Hochwasserscheiteldurchflüssen auf die x-Achse Verlängerung der RG-Ausgleichsgeraden bis zum Schnittpunkt mit dem Lot der Hochwasser-scheiteldurchflüsse (Schnittpunkt 2) geradlinige Verbindung aller Schnittpunkte 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 GW-Neubildung für den betrachteten Zeitraum

Anwendung des Durchflussganglinien-Separationsverfahrens Übung 9

3.2.3.4. Voraussetzungen in Bezug auf die Nutzbarkeit von Informationen zum Durchflussver-halten 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


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 Abstands-geschwindigkeit in der Aerationszone - Herangehensweise s. Bild 3.24

Bild 3.24:

Methodik des Einsatzes natürlicher bzw. künst-licher Tracer zur Ermitt-lung der Grundwasser-neubildung - Hauptvorteile: sehr präzise, GWN-Werte mit hoher zeitlicher Auflösung - Hauptnachteil: i.d.R. sehr aufwändig

* Beispiel für den Einsatz eines künstlichen Tracers 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 Bodenwasser-menge

Bild 3.25:

Beispiel für den Einsatz eines Tracers zur Er-mittlung der GW-Neu-bildung


62 - Berechnung der GW-Neubildung für das Beispiel in Bild 3.25: Filtergeschwindigkeit vf = GWN Messgröße aus dem Tracerversuch: Abstandsgeschwindigkeit va, wobei va = s / t (Weg-Zeit-Gesetz) Zusammenhang zwischen vf und va: vf = GWN = va * ne (3.22) mit vf - Filtergeschwindigkeit [m/s] GWN - Grundwasserneubildung [m/s] va - Abstandsgeschwindigkeit [m/s] ne - 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: geringe Adsorptionsfähigkeit praktikable Anwendbarkeit (u. a. gute Messbarkeit) geringe ökologische Risiken (u. a. keine Giftigkeit) geringer Preis * zur GWN-Ermittlung häufig verwendet: - stabile Isotope (Deuterium, Sauerstoff-18) - Farbstoffe (Uranin 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 Erhöhung der Chloridkonzentrationen im Sicker- und Grundwasser 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 Anwendung begrenzt auf küstennahe Gebiete * Berechnung: - Wassermengenbilanz (Wasserhaushaltsgleichung): P - RO = ETR + GWN (3.23)


63 mit: P - Niederschlag RO - Oberflächenabfluss ETR - Verdunstung (reale Evapotranspiration) GWN - Grundwasserneubildung - Chloridkonzentrationsbilanz: GWN * ClGW = (GWN + ETR) * ClP (3.24) mit: ClP - Chloridkonzentration im Niederschlag ClGW - Chloridkonzentration im Niederschlag (alle anderen Symbole s. Gleichung 3.23) - Umstellen von Gleichung 3.24: GWN / (GWN + ET) = ClP / ClGW (3.25) (alle Symbole s. Gleichung 3.24) - unter Einbeziehung von Gleichung 3.23 ergibt sich: GWN / (P - RO) = ClP / ClGW (3.26) (alle Symbole s. Gleichungen 3.23 und 3.24) - Auflösung der Gleichung 3.26 nach GWN: (P - RO) * ClP GWN = ────────── (3.27) ClGW (alle Symbole 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.


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: quantitative Erfassung der Wasserressourcen (z. B. von Grundwasserneubildungsmengen, Be- und Entwässerungsmengen für die Landwirtschaft, Abfluss- und Verdunstungsmengen) Quantifizierung von wasserhaushaltlichen Veränderungen, verursacht durch natürliche und anthropogene Veränderungen (u. a. Klima und Gebietsnutzung) hydrologische Begründung von Plänen, Projekten und Maßnahmen Bewirtschaftung der Wasserressourcen notwendige Voraussetzung für Untersuchungen zum Energie- und Stoffhaushalt * zeitliche und räumliche Skalierung bei Wasserhaushaltsuntersuchungen: - zeitliche Skalierung außerordentlich breit: reicht von langjährigen mittleren Wasserbilanzen bis zu zeitlich hochauflösenden Bilanzen im Minutenbereich Bilanzen für hydrologisch interessante Perioden (Starkregen, Schneeschmelze, Trockenperiode ...) Vielfalt hinsichtlich Berechnungsverfahren - räumliche Skalierung ebenfalls außerordentlich breit: globale Wasserhaushaltsuntersuchungen, Wasserhaushalt der Kontinente einzugsgebietsbezogene Wasserhaushaltsuntersuchungen (Gebietswasserhaushalt) Versuchsparzelle (Lysimeter, hydrologische Beobachtungsfläche ...) * Besonderheit hochauflösender Wasserhaushaltsuntersuchungen: - Erfassung und Quantifizierung einer Vielzahl von Prozessen (hydrologische, nichthydrologische) s. auch Bild 4.1 - Verknüpfung der Prozesse untereinander - hohe Dynamik einzelner Prozesse (z. B. Abflussbildungsprozess) Notwendigkeit der Anwendung von hydrologischen Modellen * Modellkonzepte zur Quantifizierung des Wasserhaushaltes mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung: - Bodenwasserhaushaltsmodelle: simulieren primär die Wasserhaushaltsgrößen zumeist deterministische bzw. konzeptionelle Modellansätze - Niederschlag-Abfluss-Modelle (N-A-Modelle): "Rückrechnen" der Wasserhaushaltsgrößen an Hand der Abflussreaktion eines Einzugsgebietes infolge wechselnder Witterungsbedingungen Wasserhaushaltsteil ist Bestandteil des Abflussbildungsteilmodells

Skript zum Modul Hydrologie II 66 - Kalibrierungshilfen für Bodenwasserhaushalts- und N-A-Modelle: Bodenfeuchtemessungen Grundwasserstandsmessungen Drainagewasserauslaufmessungen Abflussmessungen * Bodenwasserhaushaltsmodelle: - Modellierung der hydrologischen Prozesse, die in der Aerationszone ablaufen 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 67 4.2. 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) hydrotopweise anzuwenden - Modelleingabegrößen s. Tabelle 4.1 - Modellinhalt 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: 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 Möglichkeit der Kalibrierung des Modells) ►Simulationsergebnisse: - Ermittlung der Wasserhaushaltsgrößen Ergebnisse s. Tabelle 4.2 Tabelle 4.2: Mittels BOWAM simulierte Wasserhaushaltsbilanzen 1.4. bis 6.8.83 (alle Größen in mm) Zeitraum P RO RH RU ETP ETR ΔSB April 83 Mai 83 Juni 83 Juli 83 01.08. - 06.08.83

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 RO - Oberflächenabfluss RH - hypodermischer Abfluss RU - Grundwasserneubildung ETP - potenzielle Verdunstung ETR - reale Verdunstung ΔSB - Bodenfeuchteänderung - Simulation des Bodenfeuchteganges und Vergleich mit gemessenen Werten ( s. Bild 4.3) ►Ergebnisinterpretation: - April 1983: überdurchschnittliche Niederschläge Versickerung und GW-Neubildung im Verlaufe des Monats zwar leichte Bodenfeuchtezehrung (ΔSB < 0), jedoch noch aus-reichend hoher Bodenfeuchtewert ETR ETP - Mai - Juli 1983: deutlich unterdurchschnittliche Niederschläge lang anhaltende Bodenfeuchtezehrung Abnahme der Bodenfeuchte sich verschlechternde Bedingungen für das Pflanzen-wachstum (äußert sich in der Abnahme der ETR: ETR < ETP) keine Versickerung und keine GW-Neubildung

Skript zum Modul Hydrologie II 69 - 01. - 06.08.1983: außergewöhnlich starke Niederschläge infolge mehrtägiger Vb-Wetterlage (Vb-Wetterlage vgl. Skript Hydrologie I, Abschnitt 3.1) konkrete Niederschlagsverteilung s. Tabelle 1.3 Auffüllung des Bodenfeuchtespeichers Bildung von Oberflächenabfluss und hypodermischem Abfluss beachtliche GW-Neubildung (RU) 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 ( s. Vergleichsgröße Boden- feuchte, Bild 4.3), Unsicherheit: Starkregenperiode Anfang August 1983 (da außer der Nieder- schlagsmessung 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 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 Wintergerste (Ernte: 24.7.1980) ab 25.7.1980 abgeerntete Fläche (kein Zwischenfruchtanbau) - Bodenart: Lehm (Lößfahlbraunerde)

Sättigungswassergehalt des Bodens: ca. 47 Vol.-% Bereich der Feldkapazität: ca. 35 Vol.-% Bereich des permanenten Welkepunktes: ca. 18 Vol.-% gesättigte hydraulische Leitfähigkeit: ca. 1 ... 2 * 10-6 m/s - meteorologische Messwerte: Station Mutzschen (ca. 8 km entfernt) - Messung von Drainageauslaufmengen:

Drainagenetz ca. 1 m u. Gel. (unterhalb der landwirtschaftlichen Nutzfläche) kontinuierliche Auslaufmessungen (Pegelschreiber) Vergleichsgröße für die simulierten Bodenwasserhaushaltswerte ►Simulationsergebnisse: - Simulation des Bodenwasserhaushaltes für 10 Bodenschichten a 100 mm Mächtigkeit - Vergleich der simulierten und gemessenen Drainageauslaufmengen s. Bild 4.4

Hinweis: Modell simuliert den Prozess der Abflussbildung, nicht der Abflusskonzentration gemessene Auslaufganglinie beinhaltet die Abflusskonzentration


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 Grund: nicht die gesamte Sickerwassermenge wird durch das Drainagesystem abgeführt

* Beispiel 3: Lysimterstation Brandis (östlich von Leipzig): - Lysimetermessungen (Klima, Wasserhaushalt) ab 1981 Kalibrierungszeitraum: 1981 – 2002 - Untersuchung von 9 typische Böden Mitteldeutschlands in Summe 24 wägbare Lysimeter - Böden repräsentieren verschiedene Böden Ergebnisse der Kalibrierung für 2 ausgewählte Böden: Sand (geringe Wasserspeicherfähigkeit) Lysimetergruppe 5 Löß (sehr hohe Wasserspeicherfähigkeit) Lysimetergruppe 9 - Ziel der Modellkalibrierung: Nachbildung des Wasserhaushaltes mit den Boden- und Bewuchs-parametern der BOWAM-Datenbanken - Ergebnisse für die Lysimetergruppe 5: geringe nutzbare Feldkapazität geringe Bodenwasserdefizite im Sommer Auffüllung praktisch in jedem Winterhalbjahr Sickerwasserbildung in jedem Winter/Frühjahr gemessene und modellierte Verdunstungswerte Bild 4.5 gute Übereinstimmung gleiches betrifft die Sickerwassermengen an der Modellbasis (Basis Lysimeter = 3 m Tiefe) Bild 4.6 Gesamteinschätzung: gute Modellanpassung ohne wesentliche Veränderungen der Ausgangs-parametersätze - Ergebnisse für die Lysimetergruppe 9: sehr hohe nutzbare Feldkapazität hohe Verdunstungsbeträge hohe Bodenwasserdefizite im Sommer Bodenwasservorräte nicht in jedem Winterhalbjahr auffüllbar fehlende Sickerwasserbildung über viele Jahre gemessene und modellierte Verdunstungswerte Bild 4.7 häufige ETR-Unterbewertung

Skript zum Modul Hydrologie II 72 Messwerte (3 Lysimeter) BOWAM-Modellwerte Bild 4.5: Modellierte und gemessene Ver-dunstungsmengen für die Lysi-metergruppe 5 (BEAK, 2002, DUNGER, 2006) Messwerte (3 Lysimeter) BOWAM-Modellwerte

Bild 4.6: Modellierte und gemessene Sicker-wassermengen an der Lysimeter-basis (kumulativ) für die Lysi-metergruppe 5 (BEAK, 2002, DUNGER, 2006) Messwerte (3 Lysimeter) BOWAM-Modellwerte

Bild 4.7: Modellierte und gemessene Ver-dunstungsmengen für die Lysi-metergruppe 5 (BEAK, 2002, DUNGER, 2006)

Skript zum Modul Hydrologie II 73 Überbewertung der Sickerwassermengen an der Modellbasis mit den Datenbankwerten Bild 4.8 Abhilfe: Anpassungen der Verdunstungsparameter (kC-Faktoren) bzw. Anhebung der nutz-baren Felskapazität Verbesserungen s. ebenfalls Bild 4.8 (beste Anpassung) Messwerte (3 Lysimeter) BOWAM-Modellwerte BOWAM beste Anpassung Bild 4.8: Modellierte und gemessene Sicker-wassermengen an der Lysimeter-basis (kumulativ) für die Lysi-metergruppe 9 (BEAK, 2002, DUNGER, 2006) Gesamteinschätzung: gute Modellanpassung nur durch zielgerichtete Veränderungen der Aus-gangsparameter 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 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) hydrotopbezogene Betrachtung - zeitliche Variabilität = f(Witterungsbedingungen) 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 Ableitung von Auswirkungen verschiedener Versieglungsgrade Ableitung von Aussagen des Einflusses der Grundwasserwiederanstieg im Leipziger Raum Anwendung des Modells BOWAM 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 Folgen des Uranerzbergbaus und mögliche Gefahrenpotenziale s. Bild 4.9

Bild 4.9: Mögliche Gefahrenpotenziale des Uranerzbergbaus (DUNGER, HÄHNE, 1996) - Umweltrisiken der Bergehalden ( s. auch Bild 4.10): Strahlenexpositionen (Luftpfad), Lösung und Migration von Schadstoffen aus den Halden in Boden und Grundwasser durch infiltrierende Niederschlagswässer (Wasserpfad: Boden- und Grundwasser), Schadstoffeinträge in die Vorflut (Wasserpfad: Oberflächenwasser)

physikalische und chemische Erosion (Standsicherheit der Haldenböschungen) - Schlussfolgerungen: Halden bedürfen folglich in Abhängigkeit vom Grad der ausgehenden Gefahr ggf. einer Neu-profilierung, Abdeckung und Rekultivierung Verminderung der radiologischen Exposition und der Sickerwassermengen auf ein ökologisch akzeptables Niveau setzt haldenspezifische Untersuchungen voraus aus hydrologischer Sicht relevant: Betrachtungen zum Wasserhaushalt sowie zum Abfluss- bildungsverhalten (im langjährigen Mittel und während Starkregenereignissen)

Skript zum Modul Hydrologie II 75 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 hypoder-mischen Abflussmengen RH innerhalb der Abdeckschichten

Bild 4.10: Umweltrisiken nicht ab-gedeckter Uranerzberge-halden (HÄHNE U. A., 1995) * Spezifik des Wasserhaushaltes von Halden: - Wasserhaushalt von wasserungesättigten Bergehalden nicht generalisierbar - Wirkung einer Vielzahl von Einflussfaktoren: atmosphärische Bedingungen im Bereich der zu untersuchenden Halde Haldenmorphologie (u.U. beachtliche Hangneigungen), die pedologischen Eigenschaften des Haldenmaterials (Schüttechnologie, teilweise breites Kornspektrum) und deren Ab- deckung sowie die Art der Begrünung 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. Restdurch-sickerung) - 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: möglicher Veränderungen der pedologischen Parameter der Sicherungsschichten (z. B. Eigen- konsolidierung) 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: 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: Modell HELP (Hydrologic Evaluation of Landfill Performance Model) der U.S. Environ- mental Protection Agency, Modifikation für Deutschland durch die Universität Hamburg Modell BOWAHALD (Bodenwasserhaushaltsmodell für Halden und Deponien), Spezifikation des Bodenwasserhaushaltsmodells BOWAM 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: zum Bearbeitungszeitpunkt sehr heterogen gestaltete Halde ( vgl. Tabelle 4.4) unabgedeckte Haldenbereiche bzw. natürliche Aufstandsflächen Ein- und Zweischichtabdeckung ohne und mit haldenspezifischer Begrünung Tabelle 4.4: Kurzcharakteristik der Hammerberghalde(zum Zeitpunkt der Modellierung) Flächencharakteristik Flächenanteil [%]

Abdeckungsanteile: unabgedeckte Flächen einschichtig abgedeckte Flächen zweischichtig abgedeckte Flächen 29 16 55

Bewuchsanteile: nicht oder spärlich bewachsene Flächen mit einer geschlossenen Grasvegetation bewachsene Flächen Flächen mit Baumbestand 22 49 29

Hangneigungsanteile: Flächen mit für Bergehalden flacher Hangneigung (< 18 %) Flächen mit mittlerer Hangneigung (18 ... 36 %) Flächen mit großer Hangneigung (> 36 %) 26 27 47

Skript zum Modul Hydrologie II 77 - Untergliederung der Halde in insgesamt 26 Einzelflächen und Ermittlung des Haldenwasserhaus- haltes für alle 26 Einzelflächen für den Istzustand und für verschiedene Planungszustände - Ergebnisse sollen lediglich für 3 ausgewählte, hinsichtlich Abdeckung, Bewuchs und Hang- neigung repräsentative und vergleichbare Beispielshydrotope gezeigt werden (s. Tabelle 4.5): - Hydrotop 1: unabgedeckte Fläche ohne Vegetation - Hydrotop 2: mit Gras bewachsener Mineralboden (Einschichtabdeckung) - Hydrotop 3: mit Gras bewachsene Fläche (Zweischichtabdeckung: Kultur-, Mineralboden) Tabelle 4.5: Charakteristik für die 3 ausgewählten Beispielshydrotope Charakteristik, Parameter Hydrotop 1 Hydrotop 2 Hydrotop 3 Geographisch-morphometrische Parameter: Hangneigung [%] Exposition 36 Süd 36 Süd 36 Süd Bodenparameter: kf-Wert Oberfläche [m/s] kf-Wert 2. Abdeckschicht [m/s] Sättigungswassergehalt [Vol.-%] Bereich der Feldkapazität [Vol.-%] permanenter Welkepunkt [Vol.-%] 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 Bewuchsparameter: Vegetationsart Vegetationsbedeckungsgrad [%] Vegetationsüppigkeit maximale Wurzeltiefe [mm u. GOK]

ohne Vegetation - - - Grasvegetation 90 durchschnittlich 650

Grasvegetation 90 durchschnittlich 650 - Parameterermittlung durch kombinierte Feld- und Laboruntersuchungen (Methoden zur Ermitt- lung hydrologisch-hydrogeologisch relevanter Parameter Vorlesung Hydrogeologie) - Verwendung einer 10-jährigen meteorologischen Reihe (1985 – 1994) für die Simulation - Kalibrierungshilfen für das Modell: Messergebnisse aus insgesamt 10 Halden- und Oberflächen- lysimetern - Simulationsergebnisse Bild 4.12

Bild 4.12: Ergebnisvergleich ausgewählter Hydrotope der Hammerberghalde

Skript zum Modul Hydrologie II 78 - Ergebnisinterpretation: 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 %) Begrünung nicht automatisch Verringerung von RO, da sich die kf-Werte der Haldenober-fläche im Vergleich zur unabgedeckten Halde (Hydrotop 1) verschlechtern (s. Hydrotop 2) erst Zweischichtabdeckung (Hydrotop 3) bringt verglichen mit dem Ausgangszustand (unab-gedeckte Halde - Hydrotop 1) vergleichbare RO-Mengen und eine deutliche RU-Verringerung Wollte man die Sickerwassermengen weiter reduzieren, so wäre eine dritte Abdeckschicht mit guten Dichtungseigenschaften notwendig. - Schlussfolgerungen: Wasserhaushalt von Halden (und Deponien) nicht verallgemeinerbar 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 Salz-lösungsaustritten - 14 nicht wägbare Lysimeter, Betrieb ab 1995, Aufbau 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: Bauschutt (Lysimeter 5) Erdaushub-/Klärschlammgemisch (Lysimeter 7/9) Erdaushub-/Klärschlammkompostgemisch (Lysimeter 13/14) - Vergleichszeiträume: Lysimeter 5: 01.11.1994 bis 31.10.2001 (7 hydrologische Jahre) Lysimeter 7/9: 01.11.1995 bis 31.10.2001 (6 hydrologische Jahre) Lysimeter 13/14: 01.11.1997 bis 31.10.2001 (4 hydrologische Jahre)

* Ergebnisse: - Vergleich der Modellergebnisse mit den Lysimetermessungen Gesamtbilanzen s. Tabelle 4.6 Tabelle 4.6: Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Lysimetermessungen für die Ausgangsvariante (Verwendung von BOWAHALD-Datenbankwerten) als Gesamtbilanzen in Form von mitt-leren Jahressummen über den jeweiligen Simulationszeitraum Lysi-meter Modell Messung P [mm/a] ETR [mm/a] RU [mm/a] DSB [mm/a] 5 BOWAHALD Messung 478 478 385 - 93 96 0 - 7/9 BOWAHALD Messung: Lysimeter 7 Lysimeter 9 474 474 474

403 - - 72 108 121

0 - - 13/14 BOWAHALD Messung: Lysimeter 13 Lysimeter 14 488 488 488

413 - - 74 73 77

+ 1 - - - gute Übereinstimmung für die Lysimeter 5, 13/14, weniger gute für die Lysimeter 7/9 - wahrscheinliche Ursache bezüglich Lysimeter 7/9: Klärschlammkomponente im Boden-Klär-schlammgemisch nicht ohne weiteres mit den gängigen Bodenparametern beschreib- und quanti-fizierbar Abhilfe: Modifizierung der nutzbaren Feldkapazität (hier: Reduzierung auf 10 Vol.-%)

RU = 112 mm/a Höheres Maß an Übereinstimmung mit gemessenen Werten (s. Tabelle 4.6) - jahreszeitliche Verläufe der gemessenen Sickerwassermengen unter Berücksichtigung der Bewuchs-entwicklung modellseitig gut nachbildbar Anwendung BOWAHALD 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 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 Wasser-verbrauches durch anaerober Ab-bauprozesse (nach EHRIG, 1989) - prozessnahe Modellierung des Deponiewasserhaushaltes wegen der o.g. Besonderheiten ohne entsprechende Kalibrierungshilfen kaum möglich Modellergebnisse = quantitative Schätzung - verlässliche Ergebnisse ausschließlich mit Lysimetermessungen möglich sind allerdings immer standortbezogen nicht ohne weiteres auf andere Deponien übertragbar aufwendig im Bau und in der Unterhaltung beachte Unsicherheiten und Fehlermöglichkeiten beim Bau und Betrieb von Lysimetern (vgl. Skript Hydrologie I, Abschnitt 4.3)

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 Minimierung der Gefahren (Luft- und Wasserpfade), die von Deponien ausgehen können - Integration der Oberflächensicherung in das Gesamtsicherungskonzept s. Bild 4.15 Multi-barrierenkonzept * gesetzgeberische Vorschriften zur Sicherung von Deponien: - Deponieverordnung DepV (2009): gültig für Errichtung, Betrieb, Stilllegung und Nachsorge von Deponien

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


Bild 4.15: Die Oberflächensicherung als Sicherungselement im Multi-barrierenkonzept - Art des Oberflächensicherungssystems in Abhängigkeit von der Gefährdung, die vom Abfallinventar ausgeht 5 Deponieklassen DK: DK 0: Innertstoffdeponie DK I: Siedlungsabfalldeponie mit geringem Anteil organischer Substanzen DK II: Siedlungsabfalldeponie mit hohem Anteil organischer Substanzen DK III: Sonderabfalldeponie DK IV: Untertagedeponie - nach Deponieverordnung geforderte Oberflächensicherungskomponenten 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 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 ggf. unter vorgegebene Grenz-werte ggf. Wegfall anderer Schichten möglich

für DK I: Wegfall von Entwässerungs- und Dichtungskomponente 1, falls RU ≤ 20 mm/a für DK II: Wegfall der Dichtungskomponente 2, falls RU ≤ 10 % von P, jedoch max. 60 mm/a Voraussetzung: Ausbildung der Rekultivierungsschicht als Wasserhaushaltsschicht (s. Tab. 4.8) - Eignung von Bodensubstraten für Rekultivierungs-/Wasserhaushaltsschichten s. Bild 4.16


Bild 4.16: Eignung von Bodensubstraten für Rekultivierungs- / Wasserhaushalts-schichten (nach KONOLD U. A., 2004) Tabelle 4.8: Mindestanforderungen an Rekultivierungs- bzw. Wasserhaushaltsschichten Anforderung Einfache Rekultivierungsschicht Rekultivierungsschicht als Wasserhaushaltsschicht Mächtigkeit ≥ 1,0 m ≥ 1,5 m Luftkapazität > 5 Vol.-% 50 mm auf 1,0 m > 5 Vol.-% 75 mm auf 1,5 m nutzbare Feldkapazität 140 mm 14,0 Vol.-% 220 mm 14,5 Vol.-% Entwässerungsschicht: - Dichtungsartenarten: mineralische Drainschichten und Kunststoffdrainelemente - Anforderungen: Mindestmächtigkeit mineralischer Drainschichten: 0,3 m Mindestwasserdurchlässigkeit: 1 * 10-3 m/s langzeitbeständig Mindestgefälle: 5 % Dichtungskomponenten: - Dichtungsarten: 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 geosynthetische Tondichtungsbahnen (Betonitmatten), zweilagiger Einbau, nur ca. 7 mm dick, kf ≤ 1 * 10-10 m/s vergütete mineralische Materialien: Bentokies: ≥ 0,5 m mächtig, kf ≤ 1 * 10-10 m/s, Fuller-Verteilung geringe Porosität, Kiesanteil hohe Standsicherheit (Böschungsneigungen bis ca. 1:2,5) Trisoplast: 0,2 % Polymerketten Verzahnung geringere Schrumpfungsempfindlichkeit bei Austrocknung, gutes Verformungsverhalten, Mächtigkeit: 7 cm, kf-Wert ≤ 3 * 10-11 m/s Wasserglas: Zugabe von Wasserglaspulver Bildung einer 5 %-igen Wasserglaslösung bei Befeuchtung Verkieselung des Untergrundes, Mächtigkeit: ≥ 50 cm, kf-Wert ≤ 10-10 m/s

Skript zum Modul Hydrologie II 83 Kunststoffdichtungsbahn (KDB), praktisch wasserdicht kf < 10-13 m/s, Wasserdurchtritte nur durch Fehlstellen, Dicke: 2,5 mm, resistent gegenüber Austrocknung und Durchwurzlung sonstige Systeme: Asphaltabdichtung: dreilagiger Aufbau 2 * 6 cm Asphaltdichtungsschichten + 8 cm Asphalttragschicht, Neigungen bis 1 : 2,5, hohe Austrocknungs- und Durchwurzelungsresistenz Kapillarsperre: Aufbau Kapillarschicht (Feinsand) über Kapillarblock (Kies) Wirkung von Unterschieden hinsichtlich der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeiten, völlig austrock-nungsresistent, Mindestneigung: ca. 8 – 10 % Dichtungskontrollsysteme: - Ziel: flächenhafte Überwachung eines Abdichtungssystems - Prinzip: Messung der Verteilung physikalischer Größen (elektrisches Potenzial, elektrischer Wider-stand, Dielektrizitätszahl, Temperatur) Detektieren von Anomalien Ausgleichsschicht: - Ausgleich von Unebenheiten Herstellung eines Planums für die darüber liegende Schicht - wasserhaushaltlich neutrales Verhalten

Untersuchungen zum Schichtenaufbau Übung 12

* rechtliche Alternativen zur Deponieverordnung: - Realisierung eines Aufbaus nach Deponieverordnung nicht für alle Ablagerungen sinnvoll und vorgeschrieben 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: Lösungen akzeptabel, die von der Regelabdichtung nach TASi abweichen, wenn auch damit die Schutzziele (bezüglich Luft, Boden und Grundwasser) der TASi eingehalten werden alternative Sicherungssysteme (betr. Aufbau und Materialeigenschaften) Erreichen der Schutzziele damit i.d.R. mit geringerem Aufwand möglich allerdings: Nachweis der Gleichwertigkeit des alternativen Sicherungssystems unter Berück-sichtigung gegenwärtiger und zukünftiger Gefahren (Gefahrenabwehr, Vorsorge) maßgebendes Bewertungskriterium: Gefährdungspotenzial (3 Klassen s. Tabelle 4.9) Tabelle 4.9: Gefährdungspotenzial und Handlungsbedarf entsprechend SMU-Deponiestilllegungserlass Klasse Gefährdungspotenzial Handlungsbedarf K I nicht nennenswert nicht erforderlich K II gering beschränkt K III hoch umfangreich - Faktoren für die Einschätzung des Gefährdungspotenzials:

Skript zum Modul Hydrologie II 84 deponiespezifische Kriterien - abgelagertes Abfallvolumen, Mächtigkeit, Fläche - Zeitraum Abfallablagerungen - Abfallzusammensetzung (zeitlich, räumlich variabel) - Emission aus dem Deponiekörper Standortkriterien: - hydrogeologische Verhältnisse - Wasserzutritte in den Deponiekörper sensible Nutzungen: - Schutzgebiete, wasserwirtschaftliche Nutzungen - Wohnbebauung, Kleingärten u.ä. 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 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 sog. Verdunstungskonzept 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), Rekultivierungs-schicht(en) Verdunstungs-Dichtungskonzept Deponiewasserhaushaltsmodellierung in Abhängigkeit von der Aufgabenstellung sinnvoll

* wasserhaushaltliche Einflussfaktoren auf Oberflächensicherungssysteme: ►klimatische Faktoren: - Verhältnis von Niederschlag und Verdunstung (klimatische Wasserbilanz):

in Überschussgebieten: Untersuchungen zur Restdurchsickerung in klimatisch mittleren und nassen Jahren von besonderem Interesse 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: Grünlandvegetation (Gras-Kraut-Vegetation) langfristig hoher Nachsorgeaufwand Buschvegetation z. B. bei Nachnutzung als Grünanlage natürliche Sukzession langfristig geringe Pflegeaufwand, Erreichen des Endstadiums (Hoch- wald) erst nach mehr als 50 Jahren Wald (in Forstgebieten) mit guten wasserhaushaltlichen Eigenschaften Ackernutzung in Landwirtschaftsgebieten bei geringer Neigung beachte: maximale Wurzeltiefen der verschiedenen Bewuchsarten (ggf. Gefahr der Durchwurz- lung mineralischer Dichtungskomponenten vgl. Tabelle 4.10 Tabelle 4.10: Spannweiten üblicher Wurzeltiefen für ausgewählte Bewuchsarten Pflanzenart Wurzeltiefe [m] Gräser, Kräuter: Wiesen-Hornklee Gemeine Kratzdistel Wiesenrispengras Glatthafer Löwenzahn Ackerkratzdistel Mehlige Königskerze Krauser Ampfer

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 Sträucher und Bäume: Kratzbeere Scheinakazie Silberweide Buche bis 2,0 über 3,0 bis 3,0 1,8 – 3,0 - vorrangige Funktionen der Vegetation: Schutzfunktion (vor Witterungseinflüssen, Wind- und Wassererosion sowie Erhöhung der Standsicherheit in Böschungsbereichen) Wasserhaushaltsfunktion (Herabsetzung des Oberflächenabflusses, Verzögerung der Abfluss-bildung, Erhöhung der Verdunstung und Verminderung der Sickerwassermenge ästhetische Funktion (Einbindung in die Umgebung, Verbesserung der Deponieansicht)

►Eigenschaften der zur Oberflächensicherung verwendeten Materialien: - Schichtanatomie: Schichtenabfolge, Einfallen der Schichten, Schichtmächtigkeiten - pedologische Eigenschaften von Rekultivierungsschichten: ausreichende Mächtigkeiten, nutzbare Feldkapazitäten und Luftkapazitäten s.o. ►Schlussfolgerungen bezüglich des Wasserhaushaltes von Oberflächensicherungen: - Vielzahl von Einflussmöglichkeiten auf den Wasserhaushalt einer Oberflächensicherung - Oberflächensicherungssysteme in entscheidendem Maße durch Betrachtungen zum Wasserhaus- halt analysierbar und optimierbar Kostenoptimierung - dabei u.U. ganz unterschiedliche Optimierungskriterien zu betrachten vgl. Tabelle 4.11)

Skript zum Modul Hydrologie II 86 - i. d. R. Modellierung mehrerer klimatischer Situationen vgl. ebenfalls Tabelle 4.11): langjährig mittlere Verhältnisse (Aussagen zum mittleren wasserhaushaltlichen Verhalten) Nassjahre (Abschätzung maximaler Abflüsse, insbesondere max. Sickerwassermengen) 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 MINERALI- SCHER 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 Starkregenereig-nisse

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) 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 Jahressummen des messfehlerkorrigierten Niederschlages P Tabelle 4.12 Tabelle 4.12: Jahressummen des messfehlerkorrigierten Niederschlages P der Messstation Großpösna-Ober- holz, Reihe 1961 – 1990 Jahr P [mm/a] Jahr P [mm/a] Jahr P [mm/a] Jahr P [mm/a] Jahr P [mm/a] Jahr P [mm/a] 1961 1962 1963 1964 1965

650 505 471 408 772 1966 1967 1968 1969 1970

766 752 745 570 974 1971 1972 1973 1974 1975

590 604 560 707 601 1976 1977 1978 1979 1980

408 647 707 565 778 1981 1982 1983 1984 1985

724 541 661 623 484 1986 1987 1988 1989 1990

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 Tabelle 4.13 Tabelle 4.13: Berechnungstabelle zur Ermittlung von Nass- und Trockenjahren mit verschiedenen Wieder- kehrsintervallen für die Messstation Großpösna-Oberholz Nassjahre Trockenjahre Ordnungszahl Nassjahre m [ ] Jahres-niederschlag P [mm/a] Unterschrei- tungs-WK PU [%] Ordnungszahl Trockenjahre m [ ] Jahres-niederschlag P [mm/a] Überschrei- tungs-WK PÜ [%] 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

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

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

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

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

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 P = 625 mm/a s(P) = 106 mm/a P = 625 mm/a s(P) = 106 mm/a

d) Berechnung der Unterschreitungswahrscheinlichkeiten Pu für alle Jahresniederschläge P(a): Pu = m / (n + 1) * 100 % (4.1) mit Pu - Unterschreitungswahrscheinlichkeit [%] m - Ordnungszahl n - Anzahl der HQ(a) insgesamt

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 %)] (4.2) mit T - Wiederkehrsintervall [a] Pu - 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 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 Wieder- kehrsintervallen 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 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) (4.3) mit P(T) - Jahressumme des Niederschlages [mm/a] mit dem Wiederkehrsintervall T [a] ─── P - Mittelwert aller P(a) [m3/s] s(P) - Standardabweichung aller P(a) [m3/s] k(T) - k(T)-Beziehung - Ermittlung der k(T)-Beziehung durch Gleichung 4.4: 6 0,5 T k(T) = – ──── [ γ + ln ln ──── ] (4.4) 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)]>

Skript zum Modul Hydrologie II 90 − Gumbel-Methode: - Geradengleichung der Gumbel-Methode: P(T) = mod (P) + 1/a * y(T) (4.5) ─── ── mit mod (P) = 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) - Jahressumme des Niederschlages [mm/a] mit dem Wiederkehrsintervall T [a] mod P - Modalwert aller P(a) [mm/a] ─── P - Mittelwert aller P(a) [mm/a] s(P) - Standardabweichung aller P(a) [mm/a] y(T) - y(T)-Beziehung T - Wiederkehrsintervall [a] ── yn - arithmetisches Mittel des reduzierten Ordnungsmerkmals statistische Tafeln, lediglich abhängig von der Anzahl der Werte insgesamt s. Tabelle 4.14) σn - Streuung des reduzierten Ordnungsmerkmals statistische Tafeln, lediglich abhängig von der Anzahl der Werte insgesamt s. Tabelle 4.14) ── Tabelle 4.14: Arithmetisches Mittel yn und Streuung σn des reduzierten Ordnungsmerkmals in Abhängig-keit vom Probenumfang n n ── yn σn n ── yn σn 15 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

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

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

0,5458 0,5468 0,5477 0,5485 0,5504 0,5521 0,5548 0,5569 0,5586 0,5600 0,5724 0,5745

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 ( s. Tabelle 4.15) - Einzeichnen der berechneten Geraden in den Netzdruck der EI ( s. Bild 4.18) Tabelle 4.15: Jahresniederschlagssummen (korrigiert) [mm/a] der Station Großpösna-Oberholz für unter-schiedliche Wiederkehrsintervalle T nach verschiedenen Schätzverfahren Anpassungsmethode T = 5 a T = 20 a T = 50 a Momentenmethode k(T) HQ(T) [m3 /s] 0,72 701 1,87 823 2,59 900 Gumbel-Methode y(T) HQ(T) [m3 /s] 1,15 718 2,97 859 3,90 950 freie Anpassung HQ(T) [m3 /s] 695 795 865 k) Extrapolation: - Extrapolation ohne Kenntnis der "wahren" Verteilungsfunktion streng genommen nicht statthaft (ausschließlich Interpolation) - Fehler steigen mit Extrapolationsbereich (Datenprüfung!) - Faustwert für Festlegung des Extrapolationsbereiches:

T ≤ 3 n (falls keine Zusatzinformationen) T > 3 n (falls Zusatzinformationen, z. B. Übertragung von Klimadaten einer benachbarten Station mit längerer Messreihe, Klimagutachten des DWD) Extrapolation ohne Zusatzinformation im betrachteten Beispiel (n = 30 a) bis max. 100 Jahre

l) Interpretation: - Niederschlagswerte in Nassjahren Voraussetzung für die Modellierung des Deponiewasser-haushaltes für verschiedene Witterungszustände - im Falle der Depinie Leipzig-Leinestraße insbesondere von Interesse: Restdurchsickerungsmengen an der Basis der Oberflächenabdeckung in Abhängigkeit vom Bewuchs der Deponie (Bewuchs-anteile s. Bild 4.19)

Bild 4.19: Aufbau und Bewuchsanteile der Deponie Leinestraße in Leipzig

Skript zum Modul Hydrologie II 92 - Charakteristik der Oberflächensicherung: einfache einschichtige Abdeckung aus Erdstoffen (überwiegend sandig-lehmig), zu DDR-Zeiten realisiert 0,3 – 2,0 m mächtig (Mittel: 0,5 m) kf-Werte: ca. 10-6 – 10-7 m/s nFK: ca. 16 – 23 Vol.-% nur mäßig gut transportfähiges, gut speicherfähiges Material, aber z.T. nur gering mächtig - Simulationsergebnisse: Jahressummen der Restdurchsickerungsmengen in normalen und nassen Jahren 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

deutliche Bewuchsabhängigkeit 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) Wasserrückhalt begrenzt, da kein dichtendes Element begrenzte wasserhaushaltliche Wirk-samkeit des Systems besonders in Nassjahren

Untersuchungen zu Nass- und Trockenjahren Übung 13 4.4.3. Beispiele für Wasserhaushaltmodellierungen von Oberflächensicherungen * Beispiel 1: Wasserhaushaltliche Optimierung einer Oberflächensicherung am Beispiel der Alt-

deponie Borsdorf bei Leipzig ► allgemeine Charakteristik: - Volumen: 108 000 m³ - Schließung: vor 1990 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 Stilllegungs-methodik Altdeponien - möglichst Sicherung nur durch eine Rekultivierungsschicht bestehend aus Ober- und Unterboden - wasserhaushaltliche Optimierung der Rekultivierungsschicht bezüglich:

Rekultivierungsschichtmächtigkeit Rekultivierungssubstraten (Wassertransport uns -speicherfähigkeit) 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 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 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 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 Restdurch-sickerung auf ca. 100 mm/a ► Schlussfolgerungen: - Oberflächensicherung als qualifizierte Abdeckung ohne Dichtelement unter den gegebenen Standortbedingungen prinzipiell möglich Begrenzung der langjährig mittleren Oberflächen-abflüsse 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:

2 m mächtige Rekultivierungsschicht Gras-Strauchbewuchs 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):

Anerkennung der Wasserhaushaltsschicht als eine Dichtungskomponente, falls maximale Durchsickerung ≤ 10 % von P, höchstens jedoch 60 mm/a (für den Fall einer DK II) Anerkennung als alleinige Abdichtungskomponente, falls Durchsickerung ≤ 20 mm/a (für den Fall einer DK I) - Problemstellung: Unter welchen Standortbedingungen ist die Rekultivierungs-/Wasserhaus-haltsschicht in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen? Modellrechnungen für unterschied-liche Standortbedingungen Deutschlands

► Definition der Standortbedingungen: - 7 klimatisch verschiedene Standorte klimatische Wasserbilanz: Standort 1: Atzendorf - 190 mm/a (deutlich negative klimatische Wasserbilanz) Standort 2: Erfurt: - 60 mm/a (leicht negative klimatische Wasserbilanz)

Skript zum Modul Hydrologie II 95 Standort 3: Berlin-Charlottenburg: + 5 mm/a (ausgeglichene klimatische Wasserbilanz) Standort 4: Görlitz: + 90 mm/a (leicht positive klimatische Wasserbilanz) Standort 5: Buchholz: + 330 mm/a (deutlich positive klimatische Wasserbilanz) Standort 6: Hohenpeißenberg: + 720 mm/a (stark positive klimatische Wasserbilanz) Standort 7: 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: Mächtigkeiten: 1,0 bzw. 1,5 m (Grasbewuchs) 2,0 m (Strauchbewuchs) bzw. 2,5 m (Bäume) kf-Wert: 5 * 10-6 m/s, nutzbare Feldkapazität nFK = 20 Vol.-%

► Modellergebnisse (Modell BOWAHALD): - langjährig mittlere reale Verdunstungswerte ETR s. Bild 4.23: Abhängigkeit vom Wasser- und Energiedargebot: zunehmende ETR mit zunehmender klima-tischer Wasserbilanz sowie südlicher Exposition (s. Bild 4.24) Abhängigkeit vom Bewuchs: Verdunstungswerte Gras < Sträucher < Bäume

350

400

450

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550

600

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Berlin

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ET

R [

mm

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Gras, 1 m Re-ku. Gras, 1,5 m Reku

Sträucher Nadelbäume

Bild 4.23: Langjährig mittlere Jahressummen der realen Verdunstung ETR für verschie-dene Bewuchsarten für eine west- bzw. ostexponierte Böschung

400

450

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550

600

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Atz

endorf

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Berlin

Görlitz

Buchholz

Hohen-

peiß

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Bald

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schw

ang

ET

R [

mm

/a]

Nord West Süd

Bild 4.24: Abhängigkeit der langjährig mittleren Jahressummen der realen Verdunstung ETR für Baumbewuchs (2,5 m mächtige Rekultivierungsschicht) von der Exposi-tion (Ausrichtung)

Skript zum Modul Hydrologie II 96 - langjährig mittlere Restdurchsickerungsmengen RU an der Basis der Rekultivierungs-/Wasser-haushaltsschicht 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 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 Sickerwassermen-gen RU für verschiedene Bewuchsarten für eine west/ostexponierte Böschung

Bild 4.26: Langjährig mittlere Sickerwassermen-gen 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 Gefährdungs-potenzial): maximal 100 – 110 mm/a - Schichtenaufbau: 1,2 m Rekultivierungsschicht über 1,0 m Profilierungs-/Ausgleichsschicht - Bewuchs: Weiden ► Problemstellung: - Weiden = hohes Verdunstungsvermögen Reduzierung der Restdurchsickerung - jedoch zusätzliche Beregnung während der Hauptwachstumsperiode zur Bestandserhaltung erforderlich, ansonsten partielle Ausfälle erhöhte Restdurchsickerungsmengen - Gefahr der Erhöhung der Restdurchsickerung auch durch Zusatzwassergaben gegeben

Quantifizierung des wasserhaushaltlichen Verhaltens der Weiden 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, Infiltrometer-versuche) kf-Werte, Lagerungsdichten + Bodenprobenahmen mit anschließender Labor-analyse pF-Kurven, kf-Werte + 2 Dauerbeobachtungsflächen (Sandstandort, Lehmstandort) Unterteilung der Deponie in 18 Hydrotope

► Untersuchungsergebnisse zur Modellkalibrierung: - Ergebnisse der BOWAHALD-Modellkalibrierung für den Kalibrierungszeitraum April bis Dezember 2003 Bild 4.27 Kalibrierungsergebnis zufriedenstellend

10

15

20

25

30

35

40

45

Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

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Niederschlag Messung 60 cm Messung 100 cm Modell 60 cm Modell 100 cm

Bild 4.27: Gegenüberstellung von modellierter und gemes-sener Bodenfeuchte in verschiedenen Tiefen

Skript zum Modul Hydrologie II 98 - langjährig mittlere Wasserbilanz ohne zusätzliche Beregnung: Pkorr = 625 mm/a ETR = 525 mm/a RO = 8 mm/a RU = 92 mm/a tolerierbare Obergrenze von RU: 110 mm/a Reserve: 18 mm/a

► Bewässerungsstrategien: - Bodenfeuchtegrenzwerte: Variante 1: Konstanthalten eines für die Weiden verfügbaren Wassergehaltes während der Sommermonate Mai bis September auf 80 % nutzbare Feldkapazität Variante 2: dto. Konstanthalten auf 67 % nutzbare Feldkapazität Variante 3: dto. Konstanthalten auf 50 % nutzbare Feldkapazität - Bewässerungsstrategien: Strategie 1: Konstanthalten der o.g. Wassergehalte (vgl. Varianten 1 – 3) über die ge-samten 1,2 m Rekultivierungsschicht Strategie 2: Konstanthalten der o.g. Wassergehalte nur über einen Bereich der obersten 50 cm 70 cm Pufferzone

► Untersuchungsergebnisse zu den Bewässerungsstrategien: - Ergebnisse zur Bewässerungsstrategie 1 s. Bild 4.28

Bild 4.28: Langjährig mittlere Restdurchsickerungsmengen für die verschiedenen Bewässerungsvarianten der Bewässerungsstrategie 1 - Ergebnisse zur Bewässerungsstrategie 2 s. Bild 4.29

Bild 4.29: Langjährig mittlere Restdurchsickerungsmengen für die verschiedenen Bewässerungsvarianten der Bewässerungsstrategie 2

Skript zum Modul Hydrologie II 99 - Fazit: Restdurchsickerungsmengen RU der Bewässerungsstrategie 1 liegen alle über dem tolerierbaren Wert Bewässerungsstrategie 1 ungeeignet Restdurchsickerungsmengen RU der Bewässerungsstrategie 2 liegen alle unter dem tolerierbaren Wert Bewässerungsstrategie 2 geeignet optimal Bewässerungsstrategie: oberste 50 cm Rekultivierungsmaterial während der Hauptwachstumsperiode auf 80 % nutzbarer Feldkapazität halten 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 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 s. auch Abschnitt 4.4.2 - Austrocknungsprozesse und Ursachen s. Tabelle 4.16 hohe Komplexität Tabelle 4.16: Austrocknungsprozesse in mineralischen Dichtungsschichten und treibende Kräfte Prozess treibende Kraft Austrocknung von oben Feuchtegradient Kapillarwasseraufstieg Feuchtegradient Wasserdampftransport Feuchtegradient Wasserdampfdiffusion Temperaturgradient Durchwurzelung Bewuchs Ionenaustausch, Ausfällung chemische Potenziale - durch das Modell BOWAHALD erfassbare Prozesse: Austrocknung von oben durch Pflanzenwurzeln - Problemstellung: Eignung konzeptioneller Modelle wie BOWAHALD für Austrocknungs-problematik? ► Anwendungsbeispiel: - fiktiver Deponiestandort im Raum Leipzig

hinsichtlich klimatischer Situation repräsentativ für weite Teile Ostdeutschlands verfügbare meteorologische Daten für die DWD-Klimastation Leipzig-Schkeuditz

Skript zum Modul Hydrologie II 100 - Modellierung einer Deponie der Deponieklasse I Plateaufläche: Neigung: 5 %, Hanglänge: 20 m, Exposition: West/Ost, normal entwickelter Gras-/Krautbewuchs Rekultivierungsschicht als Wasserhaushaltsschicht: Mächtigkeit: 1,5 m, kf-Wert: 1 * 10-6 m/s, nFK: 15 Vol.-% (Gesamtprofil: 225 mm) 0,3 m mineralische Drainschicht (kf = 1 * 10-3 m/s) 0,5 m mineralische Dichtschicht (kf = 5 * 10-9 m/s) - Modellergebnisse: langjährig mittlere Jahresbilanzen s. Bild 4.30

Bild 4.30: Langjährig mittlere Jahres-bilanzen (alle Werte in mm/a)

Ergebnisse zur Austrocknung der mineralischen Dichtschicht s. Bild 4.31

Bild 4.31: Austrocknung der mineralischen Dichtschicht in Abhängigkeit von der Wurzeltiefe

Ergebnisse plausibel, aber Modell BOWAHALD trotz Plausibilität nur bedingt geeignet, Austrocknungsprozesse in mineralischen Dichtschichten zu erfassen: von den austrocknungsrelevanten Prozessen modellseitig ausschließlich der Wasser-entzug durch Pflanzenwurzeln nachgebildet keine modellinternen Steuermechanismen, die Austrocknung bewirken, hier: Steue-rung durch Vorgabe der maximalen Wurzeltiefe unzureichende Validierung von BOWAHALD bezüglich Dichtschichtaustrocknung

Ergebnisse zur Austrocknung der Wasserhaushaltsschicht s. Bild 4.32


Bild 4.32: Bodenfeuchtewerte für eine 1,5 m mächtige Rekultivierungsschicht mit 15 Vol.-% nFK (insgesamt 225 mm)

Häufigkeitsverteilung von Austrocknungsbeträgen in der Wasserhaushaltsschicht s. Bild 4.33

Bild 4.33: Häufigkeitsverteilung von Austrock-nungsbeträgen in der Wasserhaus-haltsschicht in Abhängigkeit von der nutzbaren Feldkapazität des Rekulti-vierungssubstrats (Zeitraum 1973 – 2002)

Szenarien zu den Auswirkungen des Klimawandels auf die Häufigkeitsverteilung von Austrocknungsbeträgen in der Wasserhaushaltsschicht (s. auch Beispiel 6) s. Bild 4.34 Bild 4.34: Häufigkeitsverteilung von Austrock-nungsbeträgen in der Wasserhaus-haltsschicht im Vergleich der Zeit-räume 1973 – 2002 bzw. 2031 – 2050 (A2-Szenario, trockener Lauf)

Skript zum Modul Hydrologie II 102 - Fazit: Deponiewasserhaushaltsmodelle wie z. B. BOWAHALD = brauchbares Instrumentarium bezüglich Aussagen zum Austrocknungsverhalten der Rekultivierungsschicht Ermittlung von Häufigkeiten von Wassergehaltsabnahmen der Rekultivierungsschicht bis in kritische Bodenfeuchtebereiche hinein Variantenvergleiche im Rahmen von Planungsarbeiten (Schichtenaufbau, - mächtigkeiten, -parameter, Klimaszenarien) nur bedingte Eignung in Bezug auf die Nachbildung von Austrocknungsprozessen in mineralischen Dichtschichten (Ausnahme: Wassergehaltsabnahmen infolge Wurzel-aktivität).

* 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:

Schichtenaufbau: 1,0 m Rekultivierungsschicht, Drainmatte, 7 cm Trisoplast, Auflager Messung aller meteorologischer Größen vor Ort Messung der wesentlichen pedologischen und Bewuchsparameter - verwendete Modelle: konzeptionelles Boxmodell BOWAHALD numerisches Strömungsmodell SIWAPRO-DSS

► Modellergebnisse: - Modellvergleich BOWAHALD / SIWAPRO-DSS s. Bild 4.35

Bild 4.35: Gemessene und mittels der Modelle BOWAHALD bzw. SIWAPRO-DSS modellierte Feuchtewerte der minerali-schen Dichtungsschicht aus Trisoplast

Skript zum Modul Hydrologie II 103 - Fazit: Feuchteverlauf mittels Modell BOWAHALD trotz einfacherem Modellaufbau und geringerem Bearbeitungsaufwand besser nachgebildet als mittels Modell SIWAPRO-DSS Modelleinlaufphase notwendig

* Beispiel 6: Austrocknungsmodellierung – Veränderungen im Zuge des prognostizierten Klima-wandels

► 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:

Rekultivierungsschicht (1,5 m mächtig, kf-Wert: 1 * 10-6 m/s, nFK: 20 Vol.-% gut wasserspeicherfähig) 0,3 m Drainschicht (kf: 1 * 10-3 m/s) 0,5 m Dichtschicht (kf: 5 * 10-9 m/s)

► Modellergebnisse: - Wasserhaushalt Istzustand (1961 – 1990) s. Bild 4.36

Bild 4.36: Langjährig mittlere Wasserhaushaltsbilanzen für den Ist-zustand (alle Werte in mm/a)

Skript zum Modul Hydrologie II 104 - Wasserhaushalt zukünftiger Zustand (2001 – 2050) s. Bild 4.37: zum Teil große Differenzen gegenüber dem Istzustand nach oben und unten Ursache: Unterschiede in den Niederschlagswerten für trockene, mittlere und feuchte Zeitreihe Auswahl plausibler Zeitreihen Ergebnis der Auswahl: plausibel = trockene Zeitreihen für die 3 Standorte

Bild 4.37: Änderungen der langjährig mittleren Wasserhaushalts-bilanzen des zukünftigen Zustandes gegenüber dem Ist-zustand (alle Werte in mm/a) - Austrocknungsverhalten der Rekultivierungsschicht Ist- und zukünftiger Zustand (A2-Szenario, trockener Lauf 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 Standorte Torgau und Görlitz: Zunahme von kritischen Austrocknungszuständen der Rekultivierungsschicht Standort Fichtelberg: indifferentes Verhalten - Vergleich des Austrocknungsverhalten von feuchtem, mittleren und trockenen Lauf für die Standorte Torgau und Görlitz s. Bilder 4.40 und 4.41 (Standort Fichtelberg: keine kritischen Austrocknungszustände) Zunahme kritischer bzw. sehr kritischer Austrock-nungswerte in den Jahren 2021 – 2050 gegenüber 1961 – 1990 unabhängig vom Witterungs-schwankungsverhalten

Bild 4.40: Austrocknungshäufigkeiten des zukünftigen Zu-standes gegenüber dem Istzustand in Abhängig-keit vom Lauf (feucht, mittel, trocken) für den Standort Torgau

Bild 4.41: Austrocknungshäufigkeiten des zukünftigen Zu-standes gegenüber dem Istzustand in Abhängig-keit 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 Vegetation gerät häufiger in Trockenstress 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 Dich-tungselemente (Trockenrissbildung, Durchwurzelung)

Untersuchungen zur Austrocknung von Rekultivierungsschichten 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 Erosions-, Sedimentations- und Standsicherheit der Gräben - Durchfluss Abführbarkeit der Durchflüsse, Bemessung von Rückhalteräumen ► Schritt 1: Erarbeitung der Entwässerungsstrategie - Entwässerungsstrategie = Untergliederung in Entwässerungsteilflächen, Ermittlung der Fließ-richtungen, Knotenpunkte (Zusammenflüsse) s. Bild 4.42 - in Summe 10 Entwässerungsteilflächen

Bild 4.42: Entwässerungsstrategie eines Teils der Deponie Leine-straße in Leipzig ► Schritt 2: Ermittlung morphologischer Parameter für jede Entwässerungsteilfläche - morphologische Parameter 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 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 nicht additiv, sondern unter Berücksichtigung von Laufzeitverzögerungen - beispielhaft: Überlagerung der Durchflussganglinien (Wellen) der Entwässerungsteilflächen 1/1 und 1/2:

Gesamtdurchflussganglinie am Punkt 1/2 = Durchflussganglinie der Teilfläche A 1/2 + laufzeitkorrigierte Durchflussganglinie der Teilfläche A 1/1 Laufzeitkorrektur durch Anwendung des Weg-Zeit-Gesetzes: ∆t = s /v s vorgegeben (Grabenlänge 1/1 – 1/2), hier: 105 m v Ermittlung z. B. durch Anwendung der Fließformel nach MANNING & STRICKLER (vgl. Abschnitt 5.3, Skript Hydrologie I) für vorgegebene Maße des Entwässerungs-grabens und ein vorgegebenes Grabengefälle - hier: v = 1,3 m/s ∆t = 105 m / 1,3 m/s = 80 s Durchflusswelle von Punkt 1/1 (aus A 1/1) benötigt 80 s (d.h. ca. 1,5 min) bis zum Punkt 1/2 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 vgl. Bild 4.42): HQ = 77 l/s bei tS = 21 min - Ergebnisse der Scheiteldurchfluss- und Fließgeschwindigkeitsberechnungen 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) (4.11) mit: dS(t) - Änderung des Speicherinhaltes [l/Δt bzw. m3 /(s Δt)] QZ(t) - Zuflussganglinie [l/Δt bzw. m3 /(s Δt)] QA(t) - Ausflussganglinie [l/Δt bzw. m3 /(s Δt)] (QA = QR = Regelabgabe = konstant) Umsetzung der Kontinuitätsgleichung s. Bild 4.44

Bild 4.44: Prinzip der Bemessung eines Rückhaltebeckens mit kon-stanter Regelabgabe Beispiel für die Berechnung des Speichervolumens 1. Zeitintervall für QZ > QA (t = 3 … 4 min):

QZ = 420 l/s, QA = QR = 400 l/s, Δt = 1 min = 60 s ΔS = QZ – QA = 420 l/s – 400 l/s = 20 l/s für Δt = 1 min = 60 s: 1 200 l = 1,2 m3

- Ergebnisse für die Deponie Leinestraße: Speichervolumina für verschiedene Regelabgaben s. Tabelle 4.17 Tabelle 4.17: Minimal notwendige Speichervolumina S für verschiedene konstante Regelabgaben QR für die Deponie Leinestraße QR [l/s] S [m3] 70 60 50 40 30 20 10

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 Winter-halbjahre (Reihe 1961 – 90) 30 a statistische Sicherheit - Bilanzgleichung in BOWAHALD zur Ermittlung der täglichen Schneeschmelzmenge:

WSCHMELZ = P – ETR + WSVORTAG – WS (4.12) mit: WSCHMELZ - Schneeschmelzmenge [mm/d] P - Niederschlag [mm/d] ETR - reale Evapotranspiration [mm/d] WSVORTAG - Äquivalentwassergehalt der Schneedecke am Vortag [mm] WS - Äquivalentwassergehalt der Schneedecke am Schneeschmelztag [mm] - Ergebnisse für die 30-jährige Reihe: maßgebende Schneeakkumulations- und Schneeschmelz-periode: 26.12.1986 – 09.04.1987 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 s. Gleichung 4.12) Datum P ETR WS WSCHMELZ 26.12.1986 15,4 0,2 15,2 0,0 … 31.03.1987 14,0 0,1 221,1 0,0 01.04.1987 0,0 1,5 194,8 24,7 … 05.04.1987 12,0 1,8 96,5 71,6 … 09.04.1987 0,0 1,7 0,0 7,7 kursiv und fett: maximale tägliche Schneeschmelzmenge Wiederkehrsintervall der maximalen täglichen Schneeschmelzmenge von 71,6 mm: ca. 30 a Vergleich mit der 24-h-Starkregenmenge aus KOSTRA: 117,5 mm (für T = 10 a) 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 kf-Wertsprung - von Interesse im Zusammenhang mit wasserhaushaltlichen Untersuchungen:

langjährig mittlere Drainwassermengen langjährig mittlere Einleitmengen in die Vorflut, mittlere jährliche Kosten, … Drainwassermengen in sickerwasserreichen Jahren maximale jährliche Einleitmengen in die Vorflut, maximale jährliche Kosten, … Drainwassermengen infolge von Starkregen-/Schneeschmelzereignissen max. Belastung des Drainsystems maßgebend für die Bemessung des Drainsystems (ereignisbezogen)

Skript zum Modul Hydrologie II 110 - Parameter, die die Bemessung beeinflussen ( s. auch Bild 4.45): Zuflüsse von oben (Versickerung aus der Rekultivierungsschicht) RZU Abflüsse von unten (Versickerung in die Dichtschicht) RAB Wasserdurchlässigkeit kf und Gefälle I des Drainelements Entwässerungslänge d (Drainrohrabstand) maximaler Drainwasserspiegel hMAX maßgebende Bemessungsgröße

Bild 4.45: Die Entwässerungsschicht als hydraulisches Element im System der Oberflächensicherung - Bemessungskriterium: hMAX Vergleich von hMAX mit der Drainmächtigkeit mDRAIN

mDRAIN ≥ hMAX Drainelement akzeptabel mDRAIN < hMAX Drainelement nicht akzeptabel - denkbare Veränderungen des Systems, falls Drainelement nicht akzeptabel: Erhöhung der Speichereigenschaften der oberhalb des Drainelements liegenden Schichten (durch Erhöhung von Mächtigkeit u./o. Porosität) Erhöhung der mittleren Verweildauer der Sickerwässer Vergleichmäßigung der zusitzenden Wassermengen Erhöhung der Wasserdurchlässigkeit der unterhalb des Drainelements liegenden Schicht Erhöhung des Gefälles des Drainelements Erhöhung des kf,h-Wertes des Drainelements Verringerung des hangparallelen Drainrohrabstandes Erhöhung der Mächtigkeit des Drainelements

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: a) hang- und talseitiges Drainrohr b) ausschließlich talseitiges Drainrohr - Berechnungsgleichung nach LESAFFRE für den Berechnungsfall a (hang- und talseitiges Drainrohr): 2 0,5 d 4 kf,h kf,h ─── = ────── + ────── - 1 I 2 (4.13) hmax RZU – RAB RZU – RAB

Skript zum Modul Hydrologie II 111 mit: hmax - maximaler Aufstau über der Drainsohle (normal zur Sohle) [m] RZU - Sickerwasserzufluss zur Drainage von oben [m/s] (z. B. aus BOWAHALD) RAB - Sickerwasserabstrom nach unten [m/s] (z. B. aus BOWAHALD) kf,h - kf-Wert in horizontaler Richtung [m/s] I - Draingefälle [ ] d - 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 RZU – RAB hmax = ────── . d . e A (4.14) kf,h I kf,h . I 2 – 2 (RZU – RAB ) I mit: A = ─── arctg ────────────── – arctg ─── (4.15) Δ 0,5 kf,h . I . Δ0,5 Δ 0,5 mit: e - EULER´sche Zahl (e = 2,71828) (alle weiteren Größen s. Gleichung 4.13) Fall B: Δ = 0 (mit Δ = 4 . [(RZU – RAB ) / kf,h ] – I 2 ): 0,5 RZU – RAB d hmax = ────── ── (4.16) kf,h e (alle Größen s. Gleichungen 4.13 – 4.15) Fall C: Δ < 0 (mit Δ = 4 . [(Rzu - Rab ) / kf,h ] – I 2 ): 0,5 RZU – RAB { 0,5 I (- Δ)0,5} hmax = ────── . | B | (4.17) kf,h – 2 (RZU – RAB ) + kf,h . I . [ I – ( – Δ0,5 ) ] I + ( – Δ0,5 ) mit: B = ──────────────────────── . ─────── (4.18) – 2 (RZU – RAB ) + kf,h . I . [ I + ( – Δ0,5 ) ] I – ( – Δ0,5 ) (alle Größen s. Gleichungen 4.13 – 4.15)

Skript zum Modul Hydrologie II 112 - Anwendungsbeispiel: Drainbemessung für die Deponie Spremberg-Cantdorf (ca. 20 km südlich von Cottbus) Einteilung der Deponie in Hydrotope sowie längste Drainentwässerungsstrecken Bild 4.46

Bild 4.46: Deponie Spremberg/Cantdorf mit Hydrotop-einteilung und Drainentwässerungsstrecken

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 (Sickerwasser-zutritte 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) 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 beispielhaft für Hydrotop 1 s. Tabelle 4.19) und Ermittlung der Drainspenden-Dauerlinie - Berechnung der Unterschreitungswahrscheinlichkeiten PU [%] entsprechend Gleichung 4.1 ( s. Abschnitt 4.4.2) beispielhaft für Hydrotop 1 s. Tabelle 4.19 Tabelle 4.19: Reihenfolge der täglichen Drainwasserspenden RZU im Zeitraum 1961 – 1990 mit Ordnungsziffern und Unterschreitungswahrscheinlichkeiten Datum RZU [mm/d] m PU [%] 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

0,0 0,0 … 21,5 21,5 23,8 25,9 26,8 28,6 35,3

1 2 … 10 951 10 952 10 953 10 954 10 955 10 956 10 957

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) Bild 4.48 - Berechnung der Unterschreitungswahrscheinlichkeit für ein Wiederkehrsintervall von 10 Jahren 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 hier für die Hydrotope 1 (Plateau mit der längsten Entwässerungsstrecke) und 6 (Böschung mit der längsten Entwässerungsstrecke) 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:

Bemessungsdrainspenden RZU (Ermittlung s. Bemessungsschritt 1): Plateau: 25,5 mm/d, Böschung: 24,5 mm/d 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 vgl. Gleichungen 4.17 und 4.18 mit ∆ = 4 (RZU / kf, h) – I2 hier: ∆ = - 4,2 * 10-4 - Ergebnisse: maximale Drainaufstauhöhe hMAX für das Plateau: 0,1 m maximale Drainaufstauhöhe hMAX für die Böschung: 0,2 m - Interpretation: geplante Drainmächtigkeit: mDRAIN = 0,3 m maximale Drainaufstauhöhen < geplante Drainmächtigkeit Planung O.K., Drainmächtigkeit ausreichend, keine Systemveränderungen notwendig

Praktische Bemessung eines Drainelements Übung 15 4.4.4. Nachnutzung von Deponien * Phasen der Deponiebewirtschaftung: - Bewirtschaftungsphasen und deren wesentliche Inhalte s. Bild 4.49

Bild 4.49: Phasen der Deponie-bewirtschaftung und deren Inhalte (Bild-grundlage: Landes-amt für Natur, Um-welt und Verbrau-cherschutz Nord-rhein-Westfalen) - Ziele der Nachsorgephase: Integration in die Umgebung 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 s. Bild 4.50

Bild 4.50: Sukzessionsstadien auf Rekultivierungs- bzw. Wasserhaushaltsschichten von Deponien (Bild-grundlage: Encarta) - Vorteile: kein Pflegeaufwand standortangepasster Bewuchs steigende wasserhaushaltliche Wirksamkeit Bereicherung der Standortvielfalt - Nachteile: langer Etablierungszeitraum vgl. Bild 4.50 anspruchsvoller Schichtenaufbau u. a. mächtige (> 2,5 m) und gut wasserspeicher-fähige Wasserhaushaltsschicht b) landwirtschaftliche Nutzung: - praktiziert vor allem in typischen Landwirtschaftsgebieten - Voraussetzung: bei Ackerbau geringes Gefälle nur im Plateaubereich einer Deponie möglich - Nutzung landwirtschaftlicher Flächen als Ackerflächen bzw. als Weideflächen - Vorteil bei Nutzung als Ackerflächen: schnelle Bewuchsentwicklung nach Stilllegung der Deponie - Vorteile bei Nutzung als Weideflächen mit Tierbesatz: keine zusätzliche Bewirtschaftung der Deponie Eignung für Flächen, die schwer zu bearbeiten sind (z. B. steil geneigte Böschungsflächen) keine Kosten für Futtermittel notwendig (zumindest in der Wachstumsperiode) wasserhaushaltliche Wirksamkeit auch im Winter wirksame Verhinderung der Verbuschung - Nachteile bei Nutzung als Ackerflächen: starke überjährliche als auch innerjährliche Schwankungen des Wasserumsatzes durch Verdunstung (verursacht durch Fruchtfolge, wechselnde Bewuchsentwicklung, …) geringe Vegetationsbedeckungsgrade gerade im sickerwasserreichen Winterhalbjahr Notwendigkeit hoher Mächtigkeiten der durchwurzelbaren Bodenschicht (je nach Pflan-zenart und Substrateigenschaften 0,5 – 2,0 m ähnlich hoch wie bei Bäumen) wasserhaushaltlich nicht optimal

Skript zum Modul Hydrologie II 116 - Nachteile bei Nutzung als Weideflächen mit Tierbesatz: Verdichtung des Oberbodens Erhöhung der Oberflächenabflüsse nur mäßig hohe Verdunstungsbeträge (ca. 450 – 550 mm/a) wählerisches Fraßverhalten (tierabhängig) häufig bleiben tief wurzelnde Kräuter stehen ggf. Gefährdung von mineralischen Dichtschichten durch Tiefenwurzlung c) forstwirtschaftliche Nutzung Deponiewald: - Rekultivierungsziel Wald vor allem in Gebieten die vor Errichtung der Deponie bewaldet waren - Vorteile: höchste wasserhaushaltliche Wirksamkeit aller Nachnutzungsarten - Verdunstungsleistungen von > 700 mm/a (Nadelwald in Gebieten mit hohem Nieder-schlag) - kaum nennenswerte Oberflächenabflüsse ganzjährig wasserhaushaltlich wirksam (insbesondere Nadelwald) - Nachteile: langer Etablierungszeitraum (> 100 Jahre, vergleichbar mit natürlicher Sukzession) hohe wasserhaushaltliche Wirksamkeit nach frühestens 20 Jahren (Nadelwald) bis 30 Jahren (Laubwald) erreicht hohe Anforderungen an die Rekultivierungsschicht Ausbildung als Wasserhaushalts-schicht: - Mächtigkeit: minimal 2 m (besser 2,5 – 3,0 m wegen Wurzeltiefenwachstum) - hohes pflanzenverfügbares Wasserspeichervermögen (nFK ≥ 200 mm) Windwurfgefährdung an steilen Hängen (Deponieböschung) d) Wohn-/Gewerbebebauung: - vielfältige Bebauungsart denkbar: Versieglung (z. B. Parkplatz, Lagerplatz), Gebäude, Groß-anlagen, … - Vorteile: bei vollständiger Versieglung Unterbindung der Restdurchsickerung ( Schadstoff-transport) keine/geringere Inanspruchnahme von „wertvolleren“ Flächen zur Bebauung - Nachteile: hohe Oberflächenabflüsse schwierig auf steilen Deponieböschungen keine Tiefgründung von Gebäuden/Anlagen (Beeinträchtigung Dichtschicht) 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,-/Sport-plätze, Sommerrodelbahnen, Golfplätze, …) - Vorteile: häufig Verbesserung des Mikroklimas Grünanlagen, Sportplätze: ganzjährig hohe Verdunstungsleistungen

Skript zum Modul Hydrologie II 117 - Nachteile: hohe Anforderungen an Rekultivierungsschicht (insbesondere Mächtigkeit) i. d. R. keine großen Freizeitparks mit Gebäuden möglich (Tiefgründung) beachte Gefälleverhältnisse: Sommerrodelbahnen nur in Böschungsbereichen, Sport-plätze nur auf Plateauflächen beachte bei Golfanlagen: häufig Zusatzwassergaben notwendig Gefahr einer erhöhten Restdurchsickerung f) Energieerzeugung: - vorrangige Formen der Energieerzeugung im Zusammenhang mit Deponien: Nutzung nach-wachsender Rohstoffe (Energiepflanzen), Wind- und Sonnenenergie - Vorteile: Energiepflanzen: mehrjährige Kulturen i.d.R. hohe Verdunstungsleistungen Windenergie: Windexponiertheit von Deponien hohe Energieausbeute Sonnenenergie: südexponierte Böschungen (i.d.R. etwa 1 : 3) hohe Energieausbeute - Nachteile: Energiepflanzen: hohe Anforderungen an die Rekultivierungsschicht (Wurzeltiefen-wachstum) Windenergie: Gründung auf Deponien nicht unproblematisch: Flachgründungen Gefahr durch Setzungen, Tiefgründung in den Abfallkörper hinein 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. GDA-Empfehlungen 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 FZKA-BWPLUS. 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 Boden-kundliche 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: 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 Schneedecken-dauer 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 Nieder-schlagskorrekturfaktor mit dem im HAD angegebenen Korrekturfaktor! Ändern sich die Korrektur-faktoren 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 monat-lichen Niederschlagshöhe an (auch im Vergleich zu anderen Gebieten Deutschlands)! Charakteri-sieren 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 Jahres-niederschlag! 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: s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 1 Gegebene Informationen: - Internetseite des Deutschen Wetterdienstes DWD: http://www.dwd.de Klimadaten Deutschland monatliche und jährliche Mittelwerte zip-Files der Größen Temperatur, Sonnenscheindauer und Niederschlag innerjährliche klimatische Situation - KOSTRA-Starkregenatlas - Gewässerkundliche Informationen der Landesämter 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 JahrTemperatur [°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 Temperatur-amplitude, 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-KOSTRA-Karten) - 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 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) Erzeugung einer Ergebnistabelle (Datei-name: Tabelle) Ansicht mittels Editor bzw. Einladen in Text- bzw. Tabellenkalkulations-programme 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 Bürger-Service 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.schleswig-holstein.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, Hoch- und 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:

Flächenversickerungsanlage Muldenversickerungsanlage Rigolenversickerungsanlage Schachtversickerungsanlage - Herausarbeiten der optimalen Versickerungsvariante

Methodik: s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 2 Gegebene Informationen: - bebaute (versiegelte) Fläche: 1520 m2 s. Bild Ü 4.1 - zur Verfügung stehende Versickerungsfläche: 45 m * 4 m s. ebenfalls Bild Ü 4.1

Bild Ü 4.1:

Skizze des Entwässerungssystems für eine dezentrale Versickerung - Vertikalaufbau der Aerationszone 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 s. Tabelle Ü 4.1 Tabelle Ü 4.1: Starkregenhöhen und -spenden für das Beispielsgebiet (Ergebnisübersicht einer KOSTRA-

Analyse)

T - Wiederkehrzeit (in a): mittlere Zeitspanne, in der ein Ereignis einen Wert einmal erreicht oder überschreitet D - Niederschlagsdauer einschließlich Unterbrechungen (in min, h) hN - Niederschlagshöhe (in mm) RN - 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 Ent-scheidung! 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: 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 ab-geschlossenes Einzugsgebiet - Verfahren: überschläglich mittels Schlüsselkurven aus Lysimeteruntersuchungen Schlüsselkurven nach GABRIEL & ZIEGLER Gegebene Informationen: - unterirdische Einzugsgebietsgröße: AE = 53,1 km2 - Angaben zum Wasserhaushalt: mittlerer Jahresniederschlag: P = 554 mm/a (Wert des DWD) mittlere potentielle Jahresverdunstung: ETP = 575 mm/a (nach Berechnung) - Informationen zu den Hydrotopen des Einzugsgebietes 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: Welche Stärken und Schwächen haben die Verfahren? Für welche Bedingungen sind die Verfahren anwendbar? Welches Verfahren ist folglich zu priorisieren? - zur Einordnung der Ergebnisse: Überlegen Sie, ob die angegebenen pedologisch-geologischen Informationen eher für ein gutes oder weniger gutes Versickerungsvermögen des Untergrundes sprechen! Beziehen Sie auch den Niederschlag in die Betrachtungen ein! Schwankungsbreite des Jahres-niederschlages für Deutschland: < 500 (Regenschatten Harz) ... > 1500 mm/a (Alpen, Alpen-vorland)

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: BAGROV-GLUGLA-Verfahren, Regressionsbeziehungen nach RENGER und WESSOLEK sowie mindestens ein weiteres Verfahren, das auf der Wasserhaushaltsmethode basiert (frei wählbar) - Gegenüberstellung und Wertung der Verfahren sowie der Ergebnisse Methodik: s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 3.2.2 Gegebene Informationen: - zwei Nutzungsarten: Ackerfläche (genaue Fruchtarten/Fruchtfolge unbekannt) Wald (Nadelbäume) - Grundwasserflurabstand: flurfern (> 3 m u. GOK)

Aufgaben: 1. Überlegen Sie, welches bzw. welche frei wählbare Verfahren Sie unter den gegebenen Rand-bedingungen 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 ver-schiedenen 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 lang-jährig 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: s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 3.2.3.1 Gegebene Informationen: - oberirdisches Einzugsgebiet eines Baches, Einzugsgebietsgröße: AE = 53,1 km2 - langjährige monatliche Niedrigwasser-Durchflusswerte 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 Wie ist der Wert bezüglich seiner Größenordnung einzuschätzen? 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: Trockenwetterlinie und Durchflussganglinien-Separationsverfahren - Gegenüberstellung und Wertung der Verfahren sowie der Ergebnisse Methodik: 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 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.

02.07.

03.07.

04.07.

05.07.

06.07.

07.07.

08.07.

09.07.

10.07.

11.07.

12.07.

13.07.

14.07.

15.07.

16.07.

78 !

93 !

110 !

132 !

160 !

155

152

155 !

141

145 !

101

86

76

70

74 !

84 !

17.07.

18.07.

19.07.

20.07.

21.07.

22.07.

23.07.

24.07.

25.07.

26.07.

27.07.

28.07.

29.07.

30.07.

31.07.

111 !

109

77

68

63

58

54

52

58 !

80 !

113 !

110 !

101

103 !

101

01.08.

02.08.

03.08.

04.08.

05.08.

06.08.

07.08.

08.08.

09.08.

10.08.

11.08.

12.08.

13.08.

14.08.

15.08.

16.08.

64

54

49

45

43

42

41

51 !

55 !

54 !

52

47

44

41

39

37

17.08.

18.08.

19.08.

20.08.

21.08.

22.08.

23.08.

24.08.

25.08.

26.08.

27.08.

28.08.

29.08.

30.08.

31.08.

35

34

33

32

32

31

35 !

39 !

44 !

50 !

56 !

65 !

80 !

75

64

! Tage mit Niederschlag

Arbeitsschritte, Aufgaben: Trockenwetterlinie: 1. Stellen Sie die in der Tabelle Ü 9.1 gegebenen Durchflusswerte graphisch dar! lineare Achseneinteilung 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 Trockenwetterlinien-verfahren für den betrachteten Zeitraum! Durchflussganglinien-Separationsverfahren: 4. Stellen Sie die in der Tabelle Ü 9.1 gegebenen Durchflusswerte graphisch dar! halblogarithmische Achseneinteilung (y-Achse = Q logarithmisch, x-Achse = t linear) Ermittlung der Durchflussganglinie (halblogarithmisch) 5. Konstruieren Sie die Ausgleichsgeraden der Auslauflinie des Grundwassers! 6. Ermitteln Sie die mittlere Grundwasserneubildungsmenge [mm] nach dem Durchflussganglinien-Separationsverfahren für den betrachteten Zeitraum! 7. Interpretation: Gegenüberstellung und Wertung der Ergebnisse 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 s. Tabelle 10.1 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

Bodenarten:

- A-Horizont

- B-Horizont

- C-Horizont

Mittelsand

Mittelsand

Grobsand

st. schluff. Sand

sandiger Schluff

reiner Schluff

Mittelsand

Mittelsand

Grobsand

st. schluff. Sand

sandiger Schluff

reiner Schluff

Humusgehalt A-Horizont [%] 3,5 3,5 2,5 2,5

Lagerungsdichte A – C-Horizont mittel mittel mittel mittel

Niederschlagskorrekturfaktor + 10 % + 10 % + 10 % + 10 %

- meteorologische Daten: Tageswerte der Station Dresden-Klotzsche für die hydrologischen Jahre 2002 und 2003 Datenquelle: Internetseite des Deutscher Wetterdienstes DWD: www.dwd.de 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: Der Zeitraum für die hydrologischen Jahre 2002 und 2003 beginnt am 1.11.2001 und endet am 31.10.2003. fehlende Informationen bitte kenntlich machen! 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: Berücksichtigung des Bewuchses bezüglich des kf-Wertes der Bodenoberfläche Abgleich der Wasserhaushaltsbilanzen für den Fall ∆S 0 Ausgabe kompletter Wasserhaushaltsbilanzen als Tages-, Monats- und Jahreswerte sowie als Gesamtbilanzen über den betrachteten zweijährigen Zeitraum Ausgabe von täglichen Bodenfeuchtewerten für jede Schicht Ausgabe des Files, in dem alle vereinbarten Eingabeinformationen zusammengestellt sind (Info- files) 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) 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 P ETPU ETR EI RO RU

2002

2003

Fläche 2 – Acker auf Schluffboden


2002

2003

Fläche 3 – Nadelwald auf Sandboden


2002

2003

Fläche 4 – Nadelwald auf Schluffboden


2002

2003 2. Werten Sie die Simulationsergebnisse unter folgenden Gesichtspunkten: - Wie stark weichen die Jahresniederschläge in den beiden betrachteten Jahren vom langjährigen Mittel ( 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 = Tages-bilanzen 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 Oberflächen-abdeckung 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:

geografische Lage: 51 ° und 43 min nördlicher Breite (51,72 ° – HELP-Modell) geodätische Höhe: 92 m NN Plateaufläche, 5 % Neigung, 60 m lang, nach Westen exponiert Schichtenaufbau: 30 cm Oberboden mit 3 % Humusanteil (HELP-Schichttyp 1 Vertical Percolation Layer) darunter Unterboden (humusfrei), Mächtigkeiten bewuchsabhängig s. u. (HELP-Schichttyp 1) - Bewuchsvarianten: Variante 1: Grasbewuchs, maximale Wurzeltiefe (Tiefe der evaporativen Zone): 80 cm Variante 2: Baumbewuchs (Nadelbäume, Altholzbestand) mit sekundärem Grasbewuchs, maxi-male Wurzeltiefe (Tiefe der evaporativen Zone): 150 cm 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) 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: Variante 1: 70 cm (im Falle des Grasbewuchses) Variante 2: 120 cm (im Falle des Baumbewuchs mit sekundärem Grasbewuchs) - Informationen zu den Abdecksubstraten: Variante 1: schwach lehmiger Sand Variante 2: reiner Schluff Bodenarten einheitlich für Ober- und Unterboden Lagerungsdichte: mittel (einheitlich für Ober- und Unterboden) HELP-Modell: Verwendung der Schichtparameter entsprechend Benutzerhandbuch HELP 3.95 D (im Ordner „Programme/HELPMod/HELP395D/Documentation“, Tabelle 6 (mittlere Lagerungs-dichte, Seite 43) - meteorologische Daten: Tageswerte der Station Cottbus (Brandenburg) für den langjährigen Zeitraum 1977 – 2007 Datenquelle: Internetseite des Deutscher Wetterdienstes DWD: www.dwd.de

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: Tagesmittelwerte der Lufttemperatur: T.D7 Tagessummen der Globalstrahlung: G.D13 Tagessummen des Niederschlages: P.D4 Quartalsmittel der relativen Luftfeuchte: RLF 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 Feld „Data Input“. 2. Abarbeitung des Menüpunktes 1 – Bewuchs-/Verdunstungsparameter: - Feld „Evaporation Parameter“ „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 (Empfeh-lung: Ordner „Examples“ unter „Programme/HELPMod/HELP395D“) unter einem selbst gewähl-ten 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“ „Precipitation“ bzw. „Temperature“ bzw. „Global Radiation“ „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“ „Soil and Design Data“ „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 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 deut-schen Bodenarten (Tabelle 6, S. 43 der HELP-Dokumentation) hinsichtlich des kf-Wertes in etwa entspricht. Bezüglich der Typisierung der Vegetation verwenden Sie die gegebenen Bewuchsinfor-mationen (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“ „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: Der Zeitraum für die hydrologischen Jahre 1977 – 2007 beginnt am 1.11.1976 und endet am 31.10.2007. fehlende Informationen bitte kenntlich machen! Dateinamen mit maximal 8 Buchstaben wählen! 4. Erstellen Sie die Hydrotopparameterfiles für die insgesamt 4 Varianten (2 Bewuchs- und 2 Substrat-varianten)! Vereinbaren Sie ferner: Berücksichtigung einer 10 %-igen Niederschlagskorrektur Berücksichtigung des Bewuchses bezüglich des kf-Wertes der Bodenoberfläche Abgleich der Wasserhaushaltsbilanzen für den Fall ∆S 0 Ausgabe kompletter Wasserhaushaltsbilanzen als Gesamtbilanzen über den betrachteten lang- jährigen Zeitraum Ausgabe des Files, in dem alle vereinbarten Eingabeinformationen zusammengestellt sind (Info- files) 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“ Dateiname, Kennung „OUT“ (Öffnen mittels Editor) - BOWAHALD: „C:Uebung11/ Ergebnis“ 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:

geografische Lage: 51 ° und 25 min nördlicher Breite (min in Nachkommastellen umrechnen!) geodätische Höhe: 115 m NN 0,3 ha Böschungsfläche, 33 % Neigung, 60 m lang, nach Westen exponiert 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: Rekultivierungssubstrate: a) schwach sandiger Lehm Ls2 b) sandiger Schluff Us Dichtungssubstrate: a) mineralisches Dichtungsmaterial (Ton) mit kf = 1 * 10-9 m/s b) mineralisches Dichtungsmaterial (Mergel) mit kf = 5 * 10-9 m/s Einbaudichte des Rekultivierungsmaterials: mit mittlerer Trockenrohdichte ρt3 HELP-Modell: Verwendung der Schichtparameter für die Rekultivierungsschicht entsprechend Tabelle 6 (mittlere Lagerungsdichte) der Dokumentation ( s. S. 43) - meteorologische Daten: Tageswerte der Station Halle (Sachsen-Anhalt) für den langjährigen Zeitraum 1973 – 2002, Datenquelle: Internetseite des Deutscher Wetterdienstes DWD: www.dwd.de Die meteorologischen Datenfiles sind im Vorfeld der Simulation bereits erstellt worden und können ohne Modifikationen für die Simulationsrechnungen verwendet werden: - Ordner: „C:Uebung12/Metdaten“

Tagesmittelwerte der Lufttemperatur: T.D7 Tagessummen der Globalstrahlung: G.D13 Tagessummen des Niederschlages: P.D4 Quartalsmittel der relativen Luftfeuchte: RLF 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 Rekultivierungs-schicht 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 Anwendungs-fall erfüllt ist! Verwenden Sie zur Prüfung das HELP-Modell! Gehen Sie bezüglich der Modellanwen-dung analog Übung 11 vor! Beachten Sie dabei: 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. 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 s. gegebene Informationen). Bezüglich Schichttypisierungen und Schicht-parametern 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 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 RU (HELP)

Ausschließlich Rekultivierungs-/Wasserhaushaltsschicht, Rekultivierungssubstrat a)

Ausschließlich Rekultivierungs-/Wasserhaushaltsschicht, Rekultivierungssubstrat b)

Dreischichtabdichtung, Rekultivierungssubstrat a) Ls2, Dichtungssubstrat a) kf = 1 * 10-9 m/s

Dreischichtabdichtung, Rekultivierungssubstrat a) Ls2, Dichtungssubstrat b) kf = 5 * 10-9 m/s

Dreischichtabdichtung, Rekultivierungssubstrat b) Us, Dichtungssubstrat a) kf = 1 * 10-9 m/s

Dreischichtabdichtung, Rekultivierungssubstrat b) Us, Dichtungssubstrat a) kf = 5 * 10-9 m/s

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 Restdurch-sickerungsmengen als auch den geotechnischen Aspekt (Standsicherheit).

Hydrologische Übung 13: Deponiewasserhaushalt 2 – Ermittlung von Nass- und Trockenjahren mit ver-schiedenen Wiederkehrsintervallen Aufgabenstellung: - Bestimmung von Nass- und Trockenjahren mit Wiederkehrsintervallen von 10, 50 und 100 Jahren mittels statistischer Auswertung von gemessenen Jahresniederschlägen Methodik: s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 4 Gegebene Informationen: - Jahressummen der unkorrigierten Jahresniederschläge P(a) der DWD-Station Magdeburg, Reihe 1961 – 1990 s. Tabelle Ü 13.1

Tabelle 13.1: Primärdaten für die statistischen Untersuchungen zu Nass- und Trockenjahren

Jahr P(a) [mm/a] Jahr P(a) [mm/a] Jahr P(a) [mm/a]

1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970

691 481 386 466 533 652 594 490 501 677

1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980

415 555 327 447 374 315 580 454 518 541

1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990

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 Unterschreitungs-wahrscheinlichkeiten und tragen Sie diese in die Tabelle Ü 13.2 sowie in den Netzdruck der Extremwertverteilungsfunktion Typ I ( 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 Trockenjahre

Ordnungszahl Nassjahre

m [ ]

Jahres-niederschlag

P [mm/a]

Unterschrei- tungs-WK

PU [%]

Ordnungszahl Trockenjahre

m [ ]

Jahres-niederschlag

P [mm/a]

Überschrei- tungs-WK

PÜ [%]

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

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 = mm/a Standardabweichung: s(P) = mm/a

Mittelwert: P = mm/a Standardabweichung: s(P) = mm/a

Arbeitsschritte zur Ermittlung der Trockenjahre: 1. Ordnen Sie die Werte der Größe nach (beginnend mit dem größten Wert), berechnen Sie die dazu-gehörigen Überschreitungswahrscheinlichkeiten und tragen Sie diese in die Tabelle Ü 13.2 sowie in den Netzdruck der Extremwertverteilungsfunktion Typ I ( 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 Rekultivierungs-schichten 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:

geografische Lage: 51 ° und 40 min nördlicher Breite geodätische Höhe: 87 m NN 3 Böschungsflächen, jeweils 33 % geneigt und 125 m lang, nach Nord, West bzw. Süd exponiert 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) Bewuchs: Gras-/Strauchbewuchs, maximale Wurzeltiefe: 150 cm, normale Bewuchsentwicklung - meteorologische Daten: gemessene Tageswerte der Station Cottbus für den Zeitraum 1977 – 2007 (Quelle: www.dwd.de) synthetisierte Tageswerte der Station Cottbus für die Zeiträume 2020 – 2049 und 2071 – 2100 (Quelle: Klimamodell ECHAM5/MPI-OM) Die meteorologischen Datenfiles sind im Vorfeld der Simulation bereits erstellt worden und können mit Ausnahme der Niederschlagskorrektur ohne Modifikationen für die Simulations-rechnungen verwendet werden: - Ordner: „C:Uebung11/Metdaten“ - Filenamen: Zeitraum 1977 – 2007: „C-Ist“

Zeitraum 2020 – 2049, feuchter Lauf: „C-F-2020“ Zeitraum 2020 – 2049, normaler (mittlerer) Lauf: „C-N-2020“ Zeitraum 2020 – 2049, trockener Lauf: „C-T-2020“ Zeitraum 2071 – 2100, feuchter Lauf: „C-F-2070“ Zeitraum 2071 – 2100, normaler (mittlerer) Lauf: „C-N-2070“ 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 Nutzungs-files 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: Berücksichtigung einer 10 %-igen Niederschlagskorrektur Berücksichtigung des Bewuchses bezüglich des kf-Wertes der Bodenoberfläche Abgleich der Wasserhaushaltsbilanzen für den Fall ∆S 0 Ausgabe kompletter Wasserhaushaltsbilanzen als Tages-, Monats- und Jahreswerte sowie als Gesamtbilanzen über den betrachteten zweijährigen Zeitraum Ausgabe von täglichen Bodenfeuchtewerten für jede Schicht Ausgabe des Files, in dem alle vereinbarten Eingabeinformationen zusammengestellt sind (Info- files) 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) 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 P ETPU ETR RO RH RU

Nord

West

Süd

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



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: Dateityp: feste Breite Spaltenumbrüche genau am Ende einer jeden Ziffer (Sie müssen zuvor über den Eingangstext nach unter scrollen) weitere Optionen: Dezimalkennzeichen „.“ (Punkt), 1000-er Trennzeichen „ „ (Leer-zeichen) - EXCEL-Bearbeitungen nach Einladen: Löschen aller Textzeilen (Zeilen 1 – 9) sowie der Abschlusszeile (Istzustand: Zeile 11 323, zukünftige Zustände: Zeile 10 951) Markieren der Spalte mit den Bodenfeuchtewerten der Rekultivierungsschicht (6. Spalte = Spalte F) aufsteigende Sortierung der Bodenfeuchtewerte (Markierung für alle anderen Spalten erweitern) - Ermittlung von Austrocknungshäufigkeiten der Rekultivierungsschicht: Häufigkeit von Austrocknungsbeträgen < 10 % nFK sehr hohes Stresspotenzial Häufigkeit von Austrocknungsbeträgen < 25 % nFK hohes Stresspotenzial Häufigkeit von Austrocknungsbeträgen < 40 % nFK geringes Stresspotenzial nFK = nutzbare Feldkapazität, Berechnung: Feldkapazität – Welkepunkt = 100 % nFK Bodenfeuchtewert bei 10 % nFK: Welkepunkt + 10 % nFK

Bodenfeuchtewert bei 25 % nFK bzw. 40 % nFK analog Berechnung der Austrocknungshäufigkeiten < 10 % nFK : Anzahl Bodenfeuchtewerte < 10 % nFK bezogen auf die Gesamtanzahl der Werte * 100 % 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


Nord

West

Süd



Klimatischer Zustand Häufigkeit n [in %] für Austrocknungen < 10 % nFK



Trockener Lauf

Mittlerer Lauf

Feuchter Lauf



Klimatischer Zustand Häufigkeit n [in %] für Austrocknungen < 10 % 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: s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 4 Gegebene Informationen: - Siedlungsabfalldeponie bei Cottbus 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:

Dateityp: feste Breite Spaltenumbrüche genau am Ende einer jeden Ziffer (Sie müssen zuvor über den Eingangstext nach unter scrollen) weitere Optionen: Dezimalkennzeichen „.“ (Punkt), 1000-er Trennzeichen „ „ (Leer-zeichen) - EXCEL-Bearbeitungen nach Einladen: Löschen aller Textzeilen (Zeilen 1 – 9) sowie der Abschlusszeilen Markieren der Spalte mit den hypodermischen Abflussmengen in der Entwässerungsschicht (14. Spalte = Spalte N) aufsteigende Sortierung der Bodenfeuchtewerte (Markierung für alle anderen Spalten erweitern) - Ermittlung der maßgebenden Drainwasserspenden mit Wiederkehrsintervallen von 30 Jahren: 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) Auftreten etwa 1 Mal in 30 Jahren Eintragen der maßgebenden Drainwasserspenden in die Tabelle Ü 15.1 Tabelle Ü 15.1: Maßgebende Drainwasserspenden RZU für die 9 Simulationsläufe (Wiederkehrsinter-

vall: 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 maß-gebenden 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 Wieder-kehrsintervall 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) s. Ordner „C:Uebung15/Uebergabe“ 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 Punkt statt Komma - Bewuchsinformationen: Sträucher, normal entwickelt, mehrschichtiger Aufbau, 100 % Vege-tationsbedeckungsgrad - Modellierung des stationären Endzustandes (nicht des Einbauzustandes) 4. Ist die mineralische Entwässerungsschicht unter den gegenwärtigen und zukünftig zu erwar-tenden 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 Wiederkehrs-intervall 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 pdf- bzw. 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 AUSGABE-

SOWIE 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 Kalender- bzw. hydrologische Jahre.

3. Ermittlung des langjährigen mittleren wasserhaushaltlichen Verhaltens des Ein-

zugsgebiets 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 Nutzungs-situation 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 Teil-gebiete) 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 not-wendigen 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 Trocken-jahren

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 repräsen-tatives 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 Tageswerte des Jahres, das dem Wiederkehrsinter-vall 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! Beziehen Sie in Ihre Interpretation möglichst alle relevanten Wasserhaushaltsgrößen (nicht nur den Niederschlag) ein.

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 Ver-

haltens in der Zukunft Beschreiben Sie die prinzipielle Herangehensweise bezüglich der Berücksichtigung von zukünftigen Klimaänderungen für Wasserhaushaltsuntersuchungen. Passen Sie die Werte einer ausgewählten Klima-station 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/Klima-daten arbeiten. Sie können mögliche Klimaveränderungen folglich nur durch plausible Annahmen be-schreiben 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 Berechnungsergeb-nisse. 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 vor-handen 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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