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Modelle & Modellkopplung

Einzugsgebiet & Fliessgewässernetz

(Verantwortlichkeit der Universität Osnabrück)

Auf der Ebene des Einzugsgebietes und des Fliessgewässernetzes ist zunächst die Kopplung der drei Modelle GREAT-ER, MONERIS und HBV-D geplant.

MONERIS (BEHRENDT et al. 1999) modelliert Nährstofffrachten für einen mehrjährigen mittleren Zustand. Betrachtet werden sieben Pfade , die sowohl Punktquellen als auch diffuse Einträge berücksichtigen. Bezugseinheit des Modells sind 134 Teileinzugsgebiete; in die der deutsche Teil des Elbeeinzugsgebietes hierfür aufgeteilt wurde.

In MONERIS behandelte Eintragspfade für Nährstoffe. Nach BEHRENDT et al. 1999.

Konzentrationsberechnungen im Gewässernetz können mit Hilfe des Modellsystems GREAT-ER (MATTHIES et al. 2001) durchgeführt werden, das neben der Elimination in Kläranlagen Transport- und Abbauprozesse im Fliessgewässer beschreibt. Grundlage ist eine aufgearbeitete Version des feinen UBA-Gewässernetzes, das in Flussabschnittslängen von etwa 1,5 km unterteilt wurde. In seiner ursprünglichen Form ist GREAT-ER für Einträge aus Punktquellen gedacht. Hierzu wurden die vorhandenen Kläranlagenstandorte den jeweiligen Flussabschnitten zugeordnet. Auch GREAT-ER rechnet mit langjährigen Mittelwerten, bietet über Monte-Carlo-Simulationen jedoch die Möglichkeit Verteilungskurven für die zu erwartenden Konzentrationen zu berechnen. Die Konzeption von GREAT-ER erlaubt es über Nährstoffe hinaus, eine Vielzahl von Stoffen zu simulieren; im Elbegebiet wurden bisher Modellrechnungen für Ammonium, HCCB, Diclofenac, Paracetamol, Bor, NTA und EDTA durchgeführt.

Modellstruktur von GREAT-ER, inklusive des Inputs aus diffusen Quellen von MONERIS.

Eine Einbeziehung der Einträge aus diffusen Quellen kann über eine Kopplung zwischen GREAT-ER und MONERIS erfolgen. Hierzu werden den Abschnitten des Gewässernetzes Einzugsgebiete zugeordnet, auf die die in MONERIS berechneten Emissionen verteilt werden. Bezüglich der Punktquellen wird der georeferenzierte Input aus GREAT-ER verwendet.

Anbindung von Punkt- und diffusen Quellen an das Gewässernetz. Während Punktquellen georeferenziert an das Gewässernetz angebunden werden, werden die diffusen Einträge flächenbezogen berechnet und dann auf die Flussabschnitte aufgeteilt. Der rechte Teil der Abbildung zeigt einen Ausschnitt des Gewässernetzes, in dem die Konzentrationen von Ammonium dargestellt sind.

Ein Vergleich mit Monitoringdaten liefert vernünftige Werte. Die Messwerte entlang von Elbe und grö&sllg;eren Nebenflüssen weichen nicht mehr als Faktor zwei von den simulierten Werten ab. Vergleicht man die Simulationsergebnisse entlang des Elbe Hauptstromes, liegen die Werte noch näher an den gemessenen Werten.

Ein Vergleich der Modellergebnisse mit Monitoringwerten für Phosphor zeigt, dass sich die Abweichungen nur innerhalb eines Faktors zwei befinden. Entlang des Hauptstromes sind die Abweichungen erwartungsgemäß noch geringer.

Durch Kopplung der beiden Modelle lässt sich bereits eine Vielzahl von Maßnahmen und Szenarien verwirklichen - so beispielsweise Änderungen der Landwirtschaftlichen Praxis, eine Umstellung auf Ökologischen Landbau oder Auswirkungen sozi-ökonomischer Veränderungen (z.B. Bevölkerungsszenarien).

Die Abflussbedingungen werden dabei anhand der vorhandenen Pegelzeitreihen modelliert. Um Auswirkungen des Klimawandels oder von Landnutzungsszenarien zu betrachten, müssen diese Abflussbedingungen jedoch den sich ändernden Rahmenbedingungen angepasst werden. Hierzu soll das Modell HBV-D (KRYSANOVA et al. 1999, Beschreibung des HBV Grundmodells BERGSTRÖM 1995) eingesetzt werden. Bei HBV-D handelt es sich um ein konzeptionelles Niederschlags-Abfluss-Modell, das anhand von Abfluss- und Klimadaten geeicht wird. Die Kalibrierung wird momentan angepasst an die Einzugsgebietsunterteilung von MONERIS und die Bedürfnisse der Modellierung am Hauptstrom vorgenommen. Die Ergebnisse von HBV-D werden genutzt, um bei Szenarien die hydrologische Modellierung in GREAT-ER und MONERIS zu modifizieren. Zudem werden die Abflusszeitreihen im Hauptsrommodul benötigt.