Integrierte hydrologische Modellierung von Oberflächen- und Grundwasser in dem mesoskaligen Einzugsgebiet des Rautenbach, Nordhessen
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen | |
| dc.contributor.referee | Koch, Manfred (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Wendland, Frank (Prof. Dr.) | |
| dc.date.accessioned | 2021-09-14T11:49:43Z | |
| dc.date.available | 2021-09-14T11:49:43Z | |
| dc.date.issued | 2021-07 | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202109094750 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/13241 | |
| dc.language.iso | ger | |
| dc.rights | Namensnennung - Nicht-kommerziell - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ | * |
| dc.subject | Hydrologie | ger |
| dc.subject | Hydrogeologie | ger |
| dc.subject | Grundwassermodellierung | ger |
| dc.subject | NA-Modellierung | ger |
| dc.subject | Integrierte Modellierung | ger |
| dc.subject | Dürre | ger |
| dc.subject | MODFLOW | ger |
| dc.subject.ddc | 500 | |
| dc.subject.ddc | 550 | |
| dc.subject.ddc | 620 | |
| dc.subject.swd | Hydrologie | ger |
| dc.subject.swd | Modellierung | ger |
| dc.subject.swd | Grundwasser | ger |
| dc.subject.swd | Einzugsgebiet | ger |
| dc.subject.swd | Nordhessen | ger |
| dc.subject.swd | Rautenbach | ger |
| dc.title | Integrierte hydrologische Modellierung von Oberflächen- und Grundwasser in dem mesoskaligen Einzugsgebiet des Rautenbach, Nordhessen | ger |
| dc.type | Dissertation | |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| dcterms.abstract | In den vergangenen Jahren kam es in Europa vermehrt zu sommerlichen Dürreperioden mit erheblichen Beeinträchtigungen der Ökosysteme sowie für Land- und Forstwirtschaft. Die dadurch zunehmenden Herausforderungen an das Wasserressourcenmanagement fordern ein erweitertes Systemverständnis, welches durch realitätsnahe hydrologische Modellierung gewonnen werden kann. Integrierte hydrologische Modelle ermöglichen die räumlich und zeitlich differenzierte Abbildung ober- und unterirdischer Abflüsse und derer Wechselwirkungen. Untersuchungsgebiete vorhandener Studien liegen meist in der mittleren/oberen Mesoskala (100 bis 1000 km²) sowie in der Makroskala (> 1000 km²) und fokussieren auf einzelne Kompartimente des Wasserhaushalts. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es hingegen in einem Gebiet der unteren Mesoskala, dem bewaldeten Einzugsgebiet (EZG) Rautenbach in Nordhessen (14 km²), in einer ganzheitlichen Betrachtung die jahreszeitliche und räumliche Variation aller Kompartimente des Wasserhaushalts zu analysieren, wodurch ein umfassender Einblick hydrologischer Interaktionen des gesamten Wasserkreislaufs entsteht. Basierend auf detaillierten geographischen, hydrologischen und besonders hydrogeologischen Regionalanalysen wird hierzu das Modell GSFLOW verwendet, welches das Niederschlags-Abfluss-Modell PRMS und das Grundwasserströmungsmodell MODFLOW-NWT koppelt. Zunächst wird PRMS getrennt aufbaut und vorranging anhand von Pegeln für den Zeitraum 1973-1988 kalibriert und für 1988-2000 validiert. Nach Kopplung mit MODFLOW-NWT wird als zusätzliches Kalibrationsziel eine Grundwassermessstelle hinzugezogen, um GSFLOW zu kalibrieren. Auf dieser Grundlage werden im Modellierungszeitraum 1971-2000 im Anschluss etwaige jahresübergreifende Trends, langjährige Mittelwerte und einzelne Extremjahre modelliert und interpretiert. Trendanalysen fünf modellierter Abflusskomponenten zeigen im März mit dem Interflow, der Bodenentwässerung. in die ungesättigte Zone (UZ) und der Grundwasserneubildung (GWN) und im Dezember mit der Bodenentwässerung. in die UZ nur 4 der 60 Monats-Auswertungen einen zeitlich zunehmenden Trend im Zeitraum 1971-2000. Diesen Trend zeigen auch der jährliche Niederschlag bzw. die Evapotranspiration. Dies ist vor allem auf die Trockenperiode 1971-1979 zurückzuführen. Die langjährige modellierte Wasserbilanz des gesamten Modellgebiets zeigt im Mittel bei Niederschlägen von 853 mm/a und externem Netto-Grundwasserzustrom von 201 mm/a einen Abfluss von 385 mm/a und eine tatsächliche Evapotranspiration von 632 mm/a. In der Bilanz der gesättigten Zone ist neben dem genannten Netto-Zustrom (201 mm/a) und der Strömung vom Grundwasser in die Bodenzone (412 mm/a) die Interaktion mit dem Fließgewässer relevant, wobei der influente Anteil mit 226 mm/a gegenüber dem effluenten Anteil mit 182 mm/a überwiegt. Neben vernachlässigbar kleiner Brunnenentnahme (7 mm/a) strömt durch die GWN aus der UZ 174 mm/a der gesättigten Zone zu. Im räumlichen Mittel ist mit 20 mm die GWN im April am höchsten und die mit 8 mm im Oktober am niedrigsten. Dahingegen weist die Bodenentwässerung in die UZ Maximalhöhen (28 mm) schon im März und Minimalhöhen (0,5 mm) im September auf. Räumlich ist die modellierte GWN im niederschlagsreichen Winter dabei nur auf grundwassernahen Standorten hoch. In einer weitergehenden Detailanalyse wird mithilfe einer Kreuzkorrelation aller Zellen von mittlerem Flurabstand zum zeitlichen Versatz zwischen Bodenentwässerung in die UZ und der GWN eine mittlere vertikale Fließzeit in der Größenordnung von 0,4 bis 1 Meter pro Tag bzw. 1 Woche pro 3 bis 7 Meter Mächtigkeit ermittelt. Ein besonderer Fokus dieser Arbeit liegt auf der Analyse von Trockenjahren, die die Möglichkeit integrierter Modellierung nutzt, unterschiedliche Dürrearten (meteorologische-, hydrologische- und Bodenfeuchte-Dürre) hinsichtlich ihrer hydrologischen Komponenten differenziert zu betrachten. Die Trockenjahre 1976 und 1996 zeigen anhand der Modellergebnisse jahreszeitlich differenzierte Muster. 1976 tritt eine meteorologische und hydrologische Dürre im Sommer bei gleichzeitig stark ausgeprägter Bodenfeuchte-Dürre im Sommer und Herbst auf. Die sommerliche hydrologische Dürre betrifft jedoch die Abflusskomponenten des tieferen Untergrunds weniger stark. 1996 hingegen tritt auf Grund durchschnittlicher Niederschläge im Frühjahr und Sommer keine sommerliche Bodenfeuchte-Dürre auf. Die hydrologische Dürre hingegen ist sowohl hinsichtlich des Interflow als auch der Bodenentwässerung in die UZ und der GWN angesichts der meteorologischen Dürre im Winter 1995/96 sehr stark ausgeprägt, da sich die Kapillarzone erst im März für wenige Tage füllt, sodass über die Gravitationszone kaum Wasser in die tieferen Schichten strömen kann. Die extremen Dürrejahre 2018 und 2019, für die ein weiteres GSFLOW-Modell mit gleichen Standortparametern aufgebaut wird, legen zudem einen Fokus auf den für das bewaldete EZG besonders relevanten Verlauf der Bodenfeuchte-Dürre in der forstlichen Vegetationsperiode (Mai-Oktober). Für 2018 kann eine starke Dürreperiode von April bis in den Dezember analysiert werden, die von Ende Juni bis Ende September als extrem einzustufen ist. Die Trockenphase des Kalenderjahres 2019 ist mit Ende Juni bis Anfang Oktober deutlich kürzer als 2018 und im Vergleich etwas weniger intensiv, jedoch sowohl im Vergleich mit dem langjährigen Mittel als auch hinsichtlich der für den Wald physiologisch relevanten Grenzwerte der Wasserversorgung für Ende Juni bis Anfang Oktober als starke Bodenfeuchte-Dürre einzustufen. Die räumlich-jahreszeitliche Betrachtung des Bodenspeichers für die beiden Trockenjahre bringt darüber hinaus die Erkenntnis, dass jahreszeitlich längere Sättigungsperioden (bis November 2018 bzw. bis Ende November 2019) auf flurfernen bewaldeten Standorten kürzeren Sättigungsperioden (bis September 2018 bzw. bis Oktober 2019) in flurnahen Auenböden im EZG Rautenbach gegenüberstehen. Ein hypothetisches 8-Jahres-Szenario, das die Trockenjahre 2018 und 2019 viermal aufeinander folgend wiederholt, verdeutlicht, dass die oberflächennahen Speicher aufgrund von ausreichenden Winterniederschlägen netto keine Abnahmen erfahren. Allerdings wird ein gesamter Grundwasserverlust von 570.000 m³ bzw. eine Abnahme der mittleren Standrohrspiegelhöhe von 1,9 Meter bilanziert, die insbesondere aus den Bedingungen der extremen Dürre 2018 resultieren. Zusammenfassend zeigt die Arbeit aufgrund räumlich und zeitlich stark variierender hydrologischer Prozesse und Speicher anhand diverser Betrachtungsebenen den deutlichen Mehrwert gekoppelten Modelle für kleine EZG. Das hier entwickelte Modell bietet die Grundlage für weitergehende Untersuchungen, wie die Anwendung von Dürreindizes, konzeptuelle Vergleiche von Bodenfeuchte-Modellen oder Szenarien hinsichtlich von Wasserentnahmen und Landnutzungsänderungen. Zudem stellt die vielschichtige Auswertung der Klimareferenzperiode 1971 – 2000 eine ideale Basis zum Vergleich mit Ergebnissen von Klimaprojektionen dar. | ger |
| dcterms.abstract | In recent years, Europe has experienced an increasing number of summer droughts with considerable damage to ecosystems, agriculture and forestry. The associated increasing challenges for the water resource management require an extended system understanding, which can be gained by realistic hydrological modeling. Integrated hydrological models enable the spatially and temporally differentiated representation of surface and subsurface flows and their interactions. Existing study areas are mostly located in the range of middle/upper mesoscale (100 to 1000 km²) as well as in the macroscale (> 1000 km²) and focus on individual compartments of the water cycle. In contrast, the aim of the present study is to analyze the seasonal and spatial variation of all compartments of the water balance in an area of the lower mesoscale, the forested catchment area (EZG) Rautenbach in northern Hesse (14 km²), in a holistic approach, thus providing a comprehensive insight into hydrological interactions in the entire water cycle. Based on detailed geographical, hydrological and especially hydrogeological regional analyses, the GSFLOW model is used, which couples the precipitation-runoff model PRMS and the groundwater flow model MODFLOW-NWT. First, PRMS is set up separately and calibrated primarily based on gauges for the period 1973-1988 and validated for 1988-2000. After coupling with MODFLOW-NWT, a groundwater monitoring well is added as an additional gauge to calibrate GSFLOW. On this basis, interannual trends, long-term mean values and individual extreme years are subsequently modelled and interpreted in the modelling period 1971-2000. Trend analyses of five modelled runoff components show a temporally increasing trend in the period 1971-2000 for only 4 of the 60 monthly evaluations, namely, in March interflow, soil drainage into the unsaturated zone (UZ) and groundwater recharge and in December soil drainage. into the UZ. This increasing trend is also shown by the annual precipitation or the evapotranspiration. These observations are mainly due to the dry period of 1971-1979. The long-term modelled water balance of the entire model area shows an average runoff of 385 mm/a and an actual evapotranspiration of 632 mm/a with precipitation of 853 mm/a and external net groundwater inflow of 201 mm/a. In the water balance of the saturated zone, in addition to this net inflow (201 mm/a) and the flow from the groundwater into the soil zone (412 mm/a), the river interaction is relevant, with the influent component predominating with 226 mm/a compared to the effluent component with 182 mm/a. In addition to negligible extraction from wells (7 mm/a), 174 mm/a flows to the saturated zone through groundwater recharge from the UZ. On a spatial average, the groundwater recharge is highest in April with 20 mm and lowest in October with 8 mm. In contrast, the soil drainage into the UZ shows maximum flows (28 mm) already in March and minimum flows (0.5 mm) in September. Spatially differentiated, the modelled groundwater recharge in high-precipitation winter is only high at sites with shallow groundwater. In a further detailed analysis, using a cross-correlation of all cells from mean depth to water table to temporal offset between soil drainage into the UZ and the groundwater recharge, a mean vertical flow in the order of 0.4 to 1 meter per day or 1 week per 3 to 7 meter thickness of the UZ is determined. A special focus of this work is the analysis of drought years, which uses the possibility of integrated modelling to consider different types of droughts (meteorological, hydrological and soil moisture drought) differentiated with respect to its hydrological components. The drought years 1976 and 1996 show seasonally differentiated patterns based on the model results. In 1976, a meteorological and hydrological drought occurs in summer with a simultaneously strong soil moisture drought in summer and autumn. However, the summer hydrological drought affects the runoff components of the deeper subsoil less strongly. In 1996, on the other hand, no summer soil moisture drought occurs due to average precipitation in spring and summer. The hydrological drought, on the other hand, is very severe in terms of both interflow and soil drainage into the UZ and groundwater recharge given the meteorological drought in the winter of 1995/96, as the capillary zone only saturates for a few days in March, so that hardly any water can flow into the deeper layers via the gravitational zone. The extreme drought years 2018 and 2019, for which another GSFLOW model is being set up with the same site parameters, also place a focus on the course of the soil moisture drought in the forest growing season (May-October), which is particularly relevant for the forested catchment. For 2018, a severe drought period from April to December can be analyzed, which can be classified as extreme from the end of June to the end of September. The dry phase of the 2019 calendar year, from the end of June to the beginning of October, is significantly shorter than in 2018 and somewhat less intense in comparison but can be classified as a severe soil moisture drought for the end of June to the beginning of October, both in comparison with the long-term average and regarding the physiologically relevant threshold values of water supply for the forest. The spatio-temporal analysis of soil storage for the two dry years also reveals that seasonally longer saturation periods (until November 2018 and until the end of November 2019) on forested sites with deep groundwater levels are contrasted with shorter saturation periods (until September 2018 and until October 2019) in soils low groundwater levels in the Rautenbach catchment. A hypothetical 8-year-scenario repeating the dry years 2018 and 2019 four times in a row illustrates that there is no net decrease in near-surface storage due to sufficient winter precipitation. However, a total groundwater loss of 570,000 m³ and a decrease in the mean hydraulic head of 1.9 meters are accounted for, resulting from the conditions of the extreme drought in 2018. In summary, the present work demonstrates the added value of coupled models due to spatially and temporally strongly varying hydrological processes and reservoirs based on various observation levels. The model developed here serves as a basis for further investigations, such as the application of drought indices, conceptual comparisons of soil moisture models or scenarios regarding water abstraction and land use changes. Furthermore, the diverse evaluation of the climate reference period 1971 - 2000 provides an ideal basis for comparison with results of climate projections. | eng |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Wolters, Tim | |
| dcterms.dateAccepted | 2021-07-01 | |
| dcterms.extent | XII, 197 Seiten | |
| kup.iskup | false |