Systemkurzbeschreibung des Modells BOWAM-02

zur Simulation des Wasserhaushaltes in der wasserungesättigten Bodenzone (Aerationszone)
 
 

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 der Aerationszone ablaufenden hydrologischen Prozesse, ausführliche Modellbeschreibung s. DUNGER (2002)
 

Modelltyp: quasi zweidimensionales konzeptionelles Boxmodell
 

Hauptanwendungsgebiete:

• komplexe Gebietswasserhaushaltsuntersuchungen
• Sickerwasserprognosen von altlastverdächtigen Flächen (entsprechend Forderung der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung)
• Quantifizierung der Auswirkungen auf den Wasserhaushalt infolge anthropogener Handlungen (z.B. Nutzungsänderung, Bebauung, Waldschädigung)

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

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: (Tages-, Monats- bzw. 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 bzw. 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 der 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 **) maximale Durchwurzelungstiefe **) Bereich der maximalen Wurzeldichte **) Tiefe der Evaporationswirkung **) Bestandsaufbau: ein-, 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 Sickerwasser an der Modellbasis, ggf. Grundwasserneubildung Bodenfeuchteverteilung innerhalb der Aerationszone

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

Veränderungen gegenüber der Vorgängerversion (12/1999):

• Zugriff auf programminterne Bodenparameterdateien auf Grundlage der Bodenkundlichen Kartieranleitung (AG BODEN, 1994) bzw. des Niedersächsischen  Bodeninformationssystems NIBIS (MÜLLER, 1997)
• 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, 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 Aerationszone
• Erfassung kapillarer Wasseraufstiegsmengen unter Einbeziehung der Größen Grundwasserstand, bodenartabhängiger Kapillarsteighöhe und aktueller Feuchteverteilung innerhalb der Aerationszone
• 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

Modellfehler:

• 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 (ungünstigster Fall): Verdunstungsmodellierung: ca. 10 - 20 %, Abfluss- und Sickerwassermodellierung: um 50 %
• bei Vorhandensein von Kalibrierungsinformationen und Modellierung mit täglichen Messwerten: < 10 %

 

• Simulation der Bodenfeuchteverteilung für einen Wiesenstandort (DUNGER, 1985, PESCHKE, DUNGER, GURTZ, 1986), Modellkalibrierung durch Bodenfeuchtemessungen
• wasserhaushaltliche Untersuchungen in Einzugsgebieten des Erzgebirges (SCHERF, 1997), Modellkalibrierung durch Abfluss- und Isotopenmessungen
• Modellierung des Wasser- und Tritiumhaushaltes der ungesättigten Bodenzone (DUNGER, 1994, 1995, HEBERT, NITZSCHE, DUNGER u.a., 1994, ERNST, 1997), Modellkalibrierung durch Isotopendaten
• Modellrechnungen zum Wasserhaushalt verschiedener Testfelder des LfUG, Modellkalibrierung durch Saugspannungsmessungen (DUNGER, 2000)
• Modellrechnungen für die Lysimeter der Lysimeterstation Brandis/Sachsen, Modellkalibrierung durch Sickerwassermessungen (BEAK, 2002)

 

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:

Das Modell BOWAM ist modellinhaltlich nahezu identisch mit dem Deponie- und Haldenwasserhaushaltsmodell BOWAHALD, außer dass beim Modell BOWAHALD modellintern Parameter für verschiedene Oberflächensicherungselemente und Müllarten bereitgestellt werden.
(http://www.geo.tu-freiberg.de/~dungerv/software/bowahald.html)

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

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Literatur

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Bodenkundliche Kartieranleitung, 4. Auflage. Herausgeber: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover

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Test-Modellierung des Wasserhaushaltes für die Dauerbeobachtungsflächen II Colditz, Hilbersdorf und Brandis. Abschlussbericht für das Sächsische Landesamt für Umwelt und Geologie Freiberg (unveröff.)

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