Systemkurzbeschreibung des Modells BOWAHALD

zur Simulation des Wasserhaushaltes von wasserungesättigten Deponien/Halden und deren Sicherungssystemen
 
 

Programmautor:

Dr. Volkmar Dunger
Dipl.-Hydrologe
 

Privatanschrift:

Neue Hauptstraße 152 a
D-09618 Brand-Erbisdorf, ST Langenau
Tel.: 03 73 22 / 4 19 07
 

Dienstanschrift:

TU Bergakademie Freiberg
Institut für Geologie
Lehrstuhl für Hydrogeologie
Gustav-Zeuner-Straße 12
D-09596 Freiberg
Tel.: 0 37 31 / 39 32 27
Fax: 0 37 31 / 39 27 20
e-mail: dungerv@geo.tu-freiberg.de
 
 

Ziel der Modellierung:

Modellierung der wesentlichen innerhalb von wasserungesättigten Bergehalden bzw. Deponien ablaufenden hydrologischen Prozesse (einschließlich Oberflächen- und ggf. auch Basissicherungssystemen) unter Berücksichtigung der Spezifik von Halden- bzw. Deponieflächen (z.T. beachtliche Hangneigungen, Windexponiertheit, hohe Variabilität der pedologischen Eigenschaften der Sicherungsmaterialien, Möglichkeit der Einbeziehung thermischer Prozesse u.a.m.), ausführliche Modellbeschreibung s. DUNGER (2002 a)
 

Modelltyp:quasi zweidimensionales konzeptionelles Boxmodell
 

Hauptanwendungsgebiete:

• Wasserhaushaltsuntersuchungen zum Istzustand einer Halde bzw. Deponie
• Planungsszenarien in bezug auf die wasserhaushaltliche Optimierung einer Oberflächensicherung entsprechend Stillegungsempfehlungen
• Sickerwasserprognosen von Halden-/Deponieflächen (entsprechend Forderung der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung)
• Hilfe bei der Einschätzung der Austrocknungsgefährdung mineralischer Dichtungssysteme
• Einschätzung der Chancen für eine ausreichende Vegetationsentwicklung
• die Einschätzung der Langzeitbeständigkeit vorhandener bzw. zu planender Sicherungsmaßnahmen (hinsichtlich pedologischer Parameter der Sicherungsschichten sowie der Dauer und Beständigkeit von Renaturierung/Begrünung)
• Abschätzung von Veränderungen des wasserhaushaltlichen Verhaltens von Sukzessionsflächen für verschiedene Sukzessionsstadien

Hydrologische Prozesse, die modelliert werden:

• potenzielle und reale Evapotranspiration (einschließlich Interzeption)
• Oberflächenvernässung und Oberflächenabflussbildung
• Infiltrationsmengen durch die Oberfläche
• Schneeakkumulations- und -ablationsmengen
• hypodermische Abflussbildung
• Wassertransport im Kapillarsaum
• Sickerwassertransport, Sickerwasseraufstau
• Restdurchsickerung an der Modellbasis (ggf. Grundwasserneubildung, falls Modellbasis = Grundwasseroberfläche)
• vertikale Bodenfeuchteverteilung

Vergleich mit den HELP-Modell (SCHROEDER et al., 1994):

Stärken beider Modelle:

• Erfassung der wesentlichen Wasserhaushaltprozesse
• derzeit gängige Oberflächensicherungssysteme (Regelabdichtungen nach TASi, qualifizierte Abdeckungen/Abdichtungen, einfache Abdeckungen) wasserhaushaltlich modellierbar
• vertretbarer  Aufwand bezüglich der zur Modellierung notwendigen Eingangs-daten und -parameter, keine exotischen Parameter
• vergleichsweise geringer Aufwand in bezug auf die Abarbeitung der Modelle (verglichen mit anderen Simulationsmodellen)
• modellinterne Vorgaben zu kf-Werten und Porositäten (Wassersättigung, Feldkapazität, Welkepunkt) für die meisten Boden- und Müllarten
• hohes Maß an Transparenz

• höherer Validierungsstand
• weltweit am meisten angewendetes Deponiewasserhaushaltsmodell
• Berücksichtigung des Gefrierens und Auftauens des Bodens sowie der Oberflächenabflussbildung infolge Regen auf gefrorenen Boden
• unkomplizierte Erfassung von Geomembranen (betrifft insbesondere die Erfassung von Fehlstellen und die Alterung der Membranen)

• keine Beschränkung der Modellanwendung auf die Fälle unbewachsene Oberfläche und Grasbewuchs (Modellierung von Strauch- und Baumbewuchs, landwirtschaftlichen Kulturen, teilversiegelten Flächen sowie ggf. Gewässern)
• keine Definition von Schichttypen notwendig (Schichten mit beliebigen  Eigenschaften können in beliebiger Reihenfolge aufeinander folgen)
• direkte Berücksichtigung des Einflusses von Exposition und Hangneigung in bezug auf die Verdunstungsmodellierung (keine externe Korrektur der Globalstrahlung bezüglich Exposition und Neigung)
• flexible Zeitdisktierisierung bezüglich des meteorologischen Datenmaterials  (tägliche bzw. monatliche Messwerte, langjährige Monatsmittelwerte).
• Ausgabe der vertikalen Bodenfeuchteverteilung möglich (damit Chancen für eine gute Vegetationsentwicklung ableitbar bzw. Austrocknungsgefährdung mineralischer Schichten abgeschätzbar)

• keine Eignung für Kapillarsperrensysteme
• nur bedingte Eignung für nicht oberflächengesicherte Deponien (wegen der hohen Bedeutung des Sekundärporensystems und ggf. dem Stattfinden von aeroben und anaeroben Wasserumsetzungsprozessen in Ablagerungen)
• quasi-zweidimensionale Modelle, d.h. Deponien mit sehr heterogenem Aufbau u./o. großer Horizontalerstreckung sind nur schwer erfassbar
• ausschließliche Betrachtung des Wasserflusses in der Matrix, nicht aber in Sekundärporen wie Rissen, Wurzelkanälen ...
• keine direkte Erfassung von Veränderungen der Materialeigenschaften z.B. infolge von Alterungsprozessen
• nur bedingte Eignung für eine Bemessung von Entwässerungseinrichtungen für den Starkregenfall:
• siehe hierzu Modelle ROHALDEP (DUNGER, 1998 a) zur Bemessung oberirdischer Entwässerungseinrichtungen (auch als BOWAHALD-Erweiterungsmodul verfügbar (http://www.geo.tu-freiberg.de/~dungerv/software/rohaldep.html) und
• BOWAHALD-Erweiterungsmodul DRAINAGE (DUNGER,2002 b) zur Bemessung unterirdischer Entwässerungseinrichtungen (http://www.geo.tu-freiberg.de/~dungerv/software/drainage.html)

Überblick über die Modellstruktur:
 

Niederschlag (Korrektur, Synthese)

WMO (1971, 1994), RICHTER (1995)

Niederschlagskorrektur: gebietsvariabel, saisonal variabel Niederschlagssynthetisierung

Interzeption

ECKSTEIN u.a. (1963), DYCK u.a. (1980), MERIAM (1960), JUNGHANS (1975) HOYNINGEN-HUENE (1983)

Bewuchsart, Niederschlag Vegetationsbedeckungsgrad Bestandsalter, Jahreszeit

Schneeakkumulation und Schneeschmelze

"Tagesgradverfahren", DYCK u.a. (1980),  WMO (1994)

Temperatur Bewuchsart

Muldenspeicherung

MANIAK (1982, 1992)

Eigenschaften der Oberfläche Niederschlag, Bewuchs, Hangneigung

Oberflächenabfluss / Infiltration

US SCS (1972, 1985, 1986), HAAN (1982), SCHROEDER et al. (1994), WOOLHISER (1990)

Eigenschaften der Oberfläche Bewuchsart, Bodenfeuchte Hangneigung und -länge

Evapotranspiration

TURC (1961), IVANOV (1954), PENMAN (1948), HAUDE (1995), GOLF (1981), GURTZ (1982), WENDLING u.a. (1991), DVWK (1996), KOITZSCH u.a. (1980)

Meteorologische Daten pedologische Eigenschaften der Halde Deponie bzw. Abdeckung Bewuchsart und -bedeckung Wurzeltiefe und -verteilung

Hypodermischer Abfluss

DARCY-Gesetz (DARCY, 1856)

Schichtenfolge, Schichtgefälle Hydraulische Leitfähigkeit (kf-Wert) Hanglänge, Bodenfeuchte

Sickerwasserbildung / Versickerung

DARCY-Gesetz (DARCY, 1856)

Hydraulische Leitfähigkeit (kf-Wert)

 
Modellein- und -ausgabewerte:
 

Eingabedaten und -parameter:

Meteorologische Daten: (als Tages-, Monats- oder langjährige Monatsmittelwerte): Lufttemperatur Luftfeuchtigkeit Globalstrahlung *) oder Sonnenscheindauer *) Windgeschwindigkeit *) Niederschlagsmenge Niederschlagsverteilung **)

Geographische und morphologische Parameter: geographische Breite mittlere Höhe ü. NN dominante Exposition Hangneigung mittlere Hanglänge (mittlere Länge bis zur hydraulischen Entlastung)

Pedologische Parameter: gesättigte hydraulische Leitfähigkeit (kf-Wert) Sättigungswassergehalt **) Bereich der Feldkapazität **) permananter Welkepunkt **) kapillare Steighöhe **) Schichtenabfolge (vertikaler Aufbau) Veränderung der Oberflächentemperatur infolge thermischer Prozesse *)

Nutzungsparameter: landwirtschaftliche Nutzung: Getreide, Hackfrüchte, Mais Wald: Nadel-, Laub- Mischwald Sträucher Grünland: Wiese, Weide unbewachsene Flächen Ortschaft: Wohn-, Industrie- bzw. Gewerbegebiet Gewässer Bewuchsparameter: Vegetationsbedeckungsgrad **) Bewuchsüppigkeit (gering, normal, üppig) **) maximale Durchwurzelungstiefe **) Bereich der maximalen Wurzeldichte **) Tiefe der Evaporationswirkung **) Bestandsaufbau: ein- bzw. mehrstöckig (bei Wald und Sträuchern) **) Waldschadensstufe (bei Waldnutzung) **) Versieglungsgrad (bei Ortschaft)

Simulationsergebnisse:

potenzielle und reale Evapotranspiration (incl. Interzeption) Oberflächenvernässung und Oberflächenabfluss Infiltrationsmengen Schneeakkumulations- und ablationsmengen Muldenspeichermengen hypodermischer Abfluss Sickerwassermengen von Schicht zu Schicht Sickerwasseraufstau Restdurchsickerung an der Modellbasis, ggf. Grundwasserneubildung Bodenfeuchteverteilung innerhalb von Abdeckschichten, in der Deponie/Halde bzw. im Untergrund

*)    Eingabe nicht zwingend notwendig
**)   Es werden Default-Werte angeboten.
 

Veränderungen gegenüber der Vorgängerversion (04/1997):

• Berücksichtigung weiterer Nutzungsarten (Ackerland, Bebauung mit versiegelten  Flächen, Gewässer)
• Möglichkeit der Modellierung einer zeitvariablen Vegetationsentwicklung hinsichtlich Bewuchsart, Bedeckungsgrad, Wurzelgeometrie, Entwicklungsstadien, dadurch Sukzessionen erfassbar
• Zugriff auf programminterne Bodenparameterdateien auf Grundlage der Bodenkundlichen Kartieranleitung (AG BODEN, 1994) bzw. des Niedersächsischen  Bodeninformationssystems NIBIS (MÜLLER, 1997)
• Möglichkeit der Niederschlagskorrektur nach RICHTER (1995)
• Modellstart mit beliebigen Anfangsbodenfeuchten (entsprechend Einbauwassergehalten)
• Möglichkeit der Ausgabe aller Eingabeinformationen
• interne Modellierung generell mit einer Zeitdiskretisierung von einem Tag,  auch wenn nur monatliche Primärdaten zur Verfügung stehen (dadurch geringere  Unterschiede von Ergebnissen auf Tages- bzw. Monatsbasis)

 Kurzbeschreibung der Teilmodelle:

Niederschlagskorrektur und -synthese:

• wahlweise 3 Korrekturmöglichkeiten:
• monats- und gebietsvariable Korrektur nach RICHTER (1995)
• Korrektur durch einen konstanten Faktor
• keine Korrektur (u.a. dann, wenn die Daten bereits in korrigierter Form vorliegen)
• Synthese von Tageswerten auf der Grundlage eigener statistischer Untersuchungen zu monatsvariablen Niederschlagshäufigkeiten und Niederschlagsmengen
• tagesweise Zuordnung der synthetisierten Niederschläge nach dem Zufallszahlenprinzip
• Eichung der synthetisierten Werte an beobachteten Niederschlägen möglich

Interzeption:

• Berücksichtigung der wesentlichen Haupteinflussfaktoren (meteorologische Faktoren: Niederschlag und potentielle Verdunstung sowie Bewuchsfaktoren: Bewuchsart, Vegetationsbedeckungsgrad, Vegetationsalter und jahreszeitliche Entwicklung)
• Stufen der Ermittlung der Interzeptionsverdunstung:
• Ermittlung des maximalen Interzeptionsspeichervermögens
• Ermittlung des realen Interzeptionsspeichervermögens
• Berechnung der Interzeptionsverdunstung
• Ermittlung des Niederschlages, der die Oberfläche erreicht
• Reduzierung des Interzeptionsspeichervermögens infolge anthropogener Einflüsse (Waldschädigung) oder extremer klimatischer Verhältnisse erfassbar, ebenso überjährliche Veränderungen des Interzeptionsspeichers (z.B. durch Sukzession)

Schneeschmelze:

• Anwendung des Tagesgradverfahrens (DYCK u.a., 1980, GURTZ, 1982 und WMO, 1994)
• Berücksichtigung der Summe der Tagesmitteltemperaturen T > 0 °C einer Schmelzperiode und eines von Standortfaktoren (Bewuchsart) und Schneeschmelzverlauf abhängigen Tagesgradfaktors

Oberflächenabfluss:

• Berücksichtigung der Haupteinflussfaktoren: Niederschlag, Infiltrationsvermögen (kf-Wert) der Oberfläche, Vegetationsart, Bodenfeuchtezustand, Oberflächengefälle und Hanglänge
• Anwendung des "Curve-Number"-Verfahrens (CN-Verfahren) des US Soil Conservation Service (US-SCS, 1972, 1985, 1986, HAAN, 1982) in der Spezifizierung für Deponien in Form des HELP-Modells, SCHROEDER et al., 1994)
• Integration eines Muldenspeicherteilmodells (Modellansätze in MANIAK, 1982 und MANIAK, 1992)

Versickerung und hypodermischer Abfluss:

• Berechnung von Versickerungsmengen und Versickerungsgeschwindigkeit durch  die Anwendung von DARCY- und Kontinuitätsgleichung bei Approximation der realen vertikalen Feuchteverteilung durch eine gesättigte Propfenströmung
• Erfassung des hypodermischen Abflusses in Abhängigkeit vom kf-Wertunterschied, vom Gefälle an der Schichtgrenze, an der der hypodermische Abfluss gebildet wird und von der Verweildauer des hypodermischen Abflusses innerhalb der Oberflächensicherung, der Deponie/Halde bzw. des Untergrundes
• Modellierung von Stauwasserbildungen

Verdunstungsprozess:

• Abfolge der Verdunstungsmodellierung:
•  Berechnung der potenziellen (maximal möglichen) Verdunstung
•  Quantifizierung der realen Verdunstung
•  Modellierung des Bodenfeuchteverlaufes
• Formeln zur Berechnung der potenziellen Verdunstung:
• PENMAN (1948) modifiziert nach WENDLING u.a. (1991)
• Formel nach TURC (1961) modifiziert nach WENDLING u.a. (1991) in Kombination mit der IVANOV-Formel (IVANOV, 1954)
• Formel nach HAUDE (1955)
• programminterne Entscheidung bezüglich der Auswahl o.g. Formel(n) entsprechend der Güte des vorhandenen meteorologischen Datenmaterials (Vorhandensein bzw. Fehlen einzelner meteorologischer Messgrößen)
• expositions- und hangneigungsorientierte Korrektur der potenziellen Verdunstung nach GOLF (1981)
• Nutzungskorrektur nach DVWK (1996) und DOMMERMUTH, TRAMPF (1991)
• Berechnung von realer Verdunstung und deren Auswirkungen auf den Feuchteverlauf nach KOITZSCH (1977) und KOITZSCH u.a. (1980) unter Berücksichtigung petrophysikalischer Parameter (Porositätsverhältnisse, Vorfeuchte) und pflanzenphysiologischer Parameter (Vegetationsbedeckungsgrad, Wurzeltiefe und -verteilung)
• Algorithmus ist an das Beregnungsberatungsprogramm der ehem. DDR angelehnt

 

• stark vom Vorhandensein von Kalibrierungsinformationen (u.a. Oberflächenabfluss-, Sickerwasser-, Bodenfeuchtemessungen) und von der zeitlichen Diskretisierung der meteorologischen Daten (Tages-, Monats- bzw. langjährige Monatsmittelwerte)  und von den gemessenen Größen (Temperatur, Feuchte, Strahlung, Wind) abhängig
• bei Fehlen von Kalibrierungsinformationen und Modellierung mit langjährigen monatlichen Mittelwerten:
• Verdunstungsmodellierung: ca. 10 - 20 %
• Abfluss- und Sickerwassermodellierung: um 50 %, d.h. es kann z.B. bezüglich der Sickerwasserraten nicht mehr als die richtige Größenordnung erwartet werden, wobei dies für überschlägige Vorabrechnungen bzw. im Rahmen der Planung (Szenarienvergleiche, Schichtenfolgeoptimierung) sehr wohl nützlich und ausreichend sein kann
• bei Vorhandensein von Kalibrierungsinformationen und Modellierung mit täglichen Messwerten: < 10 %

 

• Vergleich von Modellergebnissen mit Messungen an verschiedenen Haldenstandorten der Wismut GmbH vor allem im Raum Aue-Schlema): Lysimeteruntersuchungen, Haldensickerwasser- und Durchflussmessungen, Bodenfeuchtemessungen und Oberflächenabflussmessstellen (HÄHNE u.a., 1995, JORDAN u.a., 1995, HÄHNE u.a., 1998, SCHÖPE u.a., 1999)
• Vergleich mit Bodenfeuchte- und Saugspannungsmessungen (DUNGER, 1985, PESCHKE u.a., 1986, DUNGER, 2000 a)
• Vergleich von Modellergebnissen mit Sickerwasserstandsmessungen an einer Repräsentativhalde des Kupferschieferbergbaus unter Nutzung von Isotopenmessungen und Verweilzeitberechnungen (DUNGER, 1998 b)
• Vergleich von Modellergebnissen mit saisonal schwankenden Sickerwasserständen an der Deponie Frohburg (DUNGER, 2000 b)
• Modellkalibrierung an insgesamt 3 Lysimetern auf verschiedenartig abgedeckten Kalisalzhalden in Bleicherode (DUNGER, 2002 c)
• Ergebnisvergleiche HELP/BOWAHALD (s. u.a. SCHÖPE u.a., 1999, BERGER, DUNGER, 2000 und DUNGER, 2001)

 

zeitliche Diskretisierung:

• modellintern immer 1 Tag
• Zeitdiskretisierungen der meteorologischen Daten: tägliche oder monatliche Messwerte bzw. langjährige Monatsmittelwerte

• Untergliederung in Hydrotope (Flächen mit gleichen oder zumindest ähnlichen hydrologischen Eigenschaften)
• Anwendung des Modells für jedes Hydrotop einzeln
• ggf. Wichtung der Ergebnisse abhängig von den Einzelflächen

• Untergliederung in minimal 2 und maximal 10 verschiedene Schichten mit unterschiedlichen pedologischen Eigenschaften (kf-Werte, Porositäten, Mächtigkeiten)
• jede Schicht durch Teilschichten (max. 200) weiter differenzierbar

Schlussbemerkungen:

Abschließend sei vermerkt, dass das Modell BOWAHALD nach Empfehlungen des Sächsischen Landesamtes für Umwelt und Geologie (LFUG, 1999) sowie des Sächsischen Staatsministeriums für Umwelt und Landwirtschaft (SMUL, 1999) bezüglich der Anwendung in Sachsen als Alternative zum HELP-Modell anerkannt ist.

Liste der BOWAHALD-Nutzer sowie Referenzliste des Programmautors zu BOWAHALD-Anwendungen auf Anfrage: dungerv@geo.tu-freiberg.de
 

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