Wasserhaushaltsmodellierung

Die Entwicklung des Wasserhaushalts unter Einfluss des Klimawandels

Die klimatischen Veränderungen in Niedersachsen haben einen Einfluss auf die Entwicklung des Abflusses der Binnengewässer und den Wasserhaushalt der Landschaft. Diese Veränderungen werden mit Hilfe langjähriger Messreihen an den niedersächsischen Pegeln ausgewertet. Um die zukünftige Entwicklung abzubilden, werden Simulationen von zukünftigen Abflüssen mit Hilfe von Wasserhaushaltsmodellen durchgeführt. Die Wasserhaushaltsmodelle werden mit Daten aus regionalen Klimaprojektionen angetrieben.

Was sind Wasserhaushaltsmodelle?

Alles Wasser auf der Erde befindet sich in einem steten Kreislauf. Die ständige Orts- und Zustandsänderung des Wassers wird angetrieben durch die Energiezufuhr der Sonne und durch die Wirkung der Schwerkraft. Das Zusammenwirken der Elemente des Wasserkreislaufes, wie Niederschlag, Abfluss, Verdunstung, Speicherung und Aufbrauch in einem vorgegebenen Gebiet kann als Wasserhaushalt definiert werden. Mit mathematischen Computermodellen, sogenannten „Wasserhaushaltsmodellen“, können alle relevanten landflächenbezogenen Komponenten des Wasserkreislaufes simuliert und bestimmt werden.

Der Abfluss in einem Fließgewässer wird mit einem Wasserhaushaltsmodell als Folge von Niederschlagsereignissen berechnet. Zusätzlich werden alle relevanten Prozesse des Wasserhaushaltes eines Flusseinzugsgebietes in dem Modell mit simuliert. Dazu zählt zum Beispiel der Anteil des Niederschlags, der in den Boden versickert und dort zeitweise gespeichert wird, unterirdisch abfließt oder weiter ins Grundwasser gelangt sowie die Fließbewegung des Wassers im Gewässer. Wasserhaushaltsmodelle dienen vor allem der Untersuchung des Einflusses von Landnutzungs- und Klimaänderungen auf Hoch- und Niedrigwasser sowie das Grundwasser. Mit ihrer Hilfe können die Auswirkungen von Veränderungen auf das Gesamtsystem „Wasserhaushalt“ dargestellt und beurteilt werden.

Hydrologische Modellierung mit dem Modell PANTA RHEI

Im Projekt Globaler Klimawandel – Wasserwirtschaftliche Folgenabschätzung für das Binnenland (kurz: KliBiW) wurde unter anderem das Wasserhaushaltsmodell PANTA RHEI zur Simulation der gegenwärtigen und zukünftigen Abflussverhältnisse verwendet. Der Fokus im Projekt lag bisher auf der Berechnung und Auswertung des Abflusses im Gewässer für Niedrig- und Hochwasser.

Dieses Modellsystem wurde von der Abteilung Hydrologie, Wasserwirtschaft und Gewässerschutz des Leichtweiß-Instituts für Wasserbau an der TU Braunschweig in Zusammenarbeit mit dem Institut für Wassermanagement IfW GmbH entwickelt. PANTA RHEI ist ein deterministisches hydrologisches Modell mit einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Derzeit wird PANTA RHEI für die Berechnung von Bemessungsabflüssen, für die Hochwasservorhersage in Niedersachsen sowie klimawandelbezogene Untersuchungen in nationalen wie internationalen Projekten eingesetzt.

Hydrologische Prozesse

Mit einem Wasserhaushaltsmodell können die verschiedenen hydrologischen Prozesse, die den Wasserfluss in der Landschaft bestimmen, berechnet werden. Die Abbildung zeigt schematisch die im Wasserhaushaltsmodell PANTA RHEI berücksichtigten Prozesse. Hierbei werden laterale Prozesse (Abflusskonzentration und Wellenablauf) und vertikale Prozesse (Abflussbildung) unterschieden. Die Berechnung der vertikalen Prozesse (zum Beispiel Infiltration) erfolgt auf der Ebene des Hydrotops – der kleinsten hydrologisch einheitlichen Fläche. Die lateralen hydrologischen Prozesse werden für jedes als „Teilfläche“ bezeichnete Systemelement und seine darin enthaltenen konzeptionellen Speicher wie zum Beispiel Schneespeicher oder Grundwasserspeicher berechnet. Für jeden Berechnungszeitschritt – zumeist jede Stunde – erfolgt die Berechnung der Zu- und Abströme sowie der Wasserbilanz einer Landfläche.

Vorgehen bei der Klimaszenarien-basierten Wasserhaushaltsmodellierung

Um die zukünftige Veränderung des Landschaftswasserhaushalts sowie die zukünftige Abflusssituation in Niedersachsen ermitteln zu können, werden Wasserhaushaltsmodelle eingesetzt. Sie berücksichtigen das komplexe Zusammenwirken von Klimakenngrößen, Wasserhaushalt und weiteren Gegebenheiten wie den Bodeneigenschaften und der Landnutzung. Mit Wasserhaushaltsmodellen ist es möglich, wesentliche Komponenten des Wasserhaushalts wie Verdunstung, Wasserspeicherung im Boden und den Abfluss im Gewässer in ihrer räumlichen und zeitlichen Verteilung zu berechnen. Dadurch kann die Einwirkung von klimatischen Änderungen auf den Wasserhaushalt und das Abflussverhalten auf Basis der Klimaprojektionen ermittelt werden. Anknüpfend an die Klimaprojektionen der Klimamodelle bildet die Wasserhaushaltsmodellierung somit das letzte Glied der Modellkette (Abbildung unten).

Mit Klimamodellen werden nicht nur die klimatischen Verhältnisse der Zukunft simuliert, sondern auch jene der Vergangenheit. In vielen Fällen lassen sich systematische Abweichungen zwischen der meteorologischen Beobachtung (Messung) und der mit dem Klimamodell simulierten meteorologischen Vergangenheit feststellen. Eine solche als „Bias“ bezeichnete Abweichung kann beispielsweise sein, dass die tatsächlich gemessenen Temperaturen systematisch niedriger sind, als diejenigen, die mit einem Klimamodell für denselben Zeitraum simuliert wurden. Durch einen Vergleich der Klimamodelldaten mit den tatsächlich gemessenen Werten können die Art und Größe der systematischen Abweichungen bestimmt werden. Anschließend können die Klimaprojektionen mit mathematischen Verfahren korrigiert (Bias-Korrektur) und an das Wasserhaushaltsmodell übergeben werden.

Klimaprojektionen als Eingangsdaten für die Wasserhaushaltsmodellierung decken eine Bandbreite möglicher zukünftiger klimatischer Änderungen ab. In der Wasserhaushaltsmodellierung ergeben sich daraus für die verschiedenen Klimaszenarien verschiedene Aussagen zur Entwicklung des Abflussgeschehens und des Wasserhaushalts. Die Gesamtheit dieser Aussagen bezeichnet man als Abflussprojektion.

Unsicherheiten

Jedes Glied der Modellkette umfasst Annahmen und methodische Vereinfachungen, durch welche die Unsicherheit der Aussagen ansteigt. Im Bereich der Klimaprojektionen betrifft dies zum Beispiel die Annahmen über mögliche Szenarien der Entwicklung der Treibhausgase oder die natürliche Klimavariabilität, die durch die Komplexität der Prozesse und Wechselwirkungen im Klimasystem hervorgerufen wird. Weitere Unsicherheiten liegen in den unterschiedlichen methodischen Umsetzungen der Prozesse in der Wasserhaushaltsmodellierung. Aufgrund dieser Umstände werden die Ergebnisse mehrerer Abflussprojektionen gemeinsam ausgewertet (Ensembletechnik). Die resultierenden Bandbreiten sind ein Ausdruck der genannten Unsicherheiten.

Die vorhandenen Unsicherheiten bedingen, dass nicht „die eine Prognose“ für die künftigen Änderungen von Abflussverhältnissen und des Wasserhaushalts in Niedersachsen erstellt werden kann. Vielmehr werden mit verschiedenen regionalen Klimamodellen verschiedene Abflussprojektionen berechnet, die zusammengenommen eine plausible Bandbreite von Aussagen und Ergebnissen abbilden (Ensemble-Technik, siehe Abbildung).

Die ermittelte Bandbreite der Ergebnisse zeigt die zukünftige klimatische bzw. hydrologische Entwicklung unter den getroffenen Annahmen auf. Mit diesem Vorgehen ist es möglich, Unsicherheiten zu verdeutlichen und ggf. belastbare Ergebnisse bei übereinstimmenden Aussagen zu identifizieren. Dadurch lassen sich Bereiche innerhalb der gesamten Bandbreite der Änderungssignale herausfiltern, an denen sich Anpassungsstrategien und Maßnahmen orientieren sollen - je nach betroffener Nutzung und erforderlichen Sicherheitsbedarfen.