Untersuchung unterschiedlicher Flächendiskretisierungs- und Modellierungskonzepte für die hydrologische Modellierung am Beispiel Thüringer Vorfluter Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium ( Dr. rer. nat.) vorgelegt dem Rat der Chemisch-Geowissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena von Dipl. Geogr. Klaus Bongartz geboren am 04.08.1967 in Grevenbroich Gutachter 1. Prof. Dr. W.-A. Flügel 2. Prof. Dr. Ch. Schmullius Tag der öffentlichen Verteidigung: 19.12.2001 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand am von Herrn Prof. Dr. W.-A. Flügel geleiteten Lehrstuhl für Geoinformatik, Geohydrologie und Modellierung des Geographischen Institutes der Fried- rich-Schiller-Universität Jena. Prof. Flügel, der mich wissenschaftlich schon während meines Diploms in Bonn begleitete, verdanke ich den Anstoß zu dieser Arbeit. Er übernahm gleichzeitig die wissenschaftliche Betreuung. Mein herzlicher Dank gilt ihm für seinen unermüdlichen Einsatz bei der Beantragung des Projektes "RIVER", welches mich nach Jena führte. Ebenso möchte ich mich für sein stetes Interesse am Fortgang der Untersuchungen, den vielen wertvollen Anregungen und Diskus- sionen, sowie der Intensiven Durchsicht der Arbeit bedanken. Die zugrunde liegenden Untersuchungen wurden im Herbst 1997 im Rahmen meiner Tätig- keit im Forschungs- und Entwicklungsprojekt "RIVER" begonnen und nach 3 jähriger Arbeit zwischenzeitlich abgeschlossen. Zu diesem Zeitpunkt übernahm ich Lehrtätigkeit meines geschätzten Kollegen Olaf David, der sich zu einem fünfzehnmonatigen Forschungsauf- enthalt in die USA begab. Die Vorbereitung der Lehre nahm zunächst einen Großteil meiner Zeit in Anspruch, so dass die Fortführung der Arbeit etwas ins Hintertreffen geriet. Aufgrund der großen Unterstützung meiner Kolleginnen und Kollegen am Lehrstuhl, konnte die Arbeit trotz der Mehrfachbelastung aber dennoch fertig gestellt werden. Insbesondere möchte ich mich für die gute Arbeitsatmosphäre und die intensive Zusammenarbeit bedanken. Mein besonderer Dank gilt Rainer Hoffmann der stets zur stelle war, wenn es galt, techni- sche und Software-Probleme zu lösen. Bei Helmut Staudenrausch möchte ich mich für seine Entwicklungsarbeit und seine ständige Diskussionsbereitschaft bedanken ohne die diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre. Mein Dank gilt ebenso Manfred Fink, der mir in allen Fragen der GIS-Anwendung zur Seite stand. Nicht zuletzt erwähnt sei hier Peter Krause dem ich besonderen Dank für die viele Zeit schulde, die er in Diskussionen und bei der Durchsicht des Manuskriptes geopfert hat, und die mir wertvolle Anregungen für diese Arbeit geliefert hat. Die Zuarbeit der studentischen Hilfskräfte Carsten Pathe, Evelin Matjeika, und Björn Pfennig war ebenso von großer Hilfe für mich. Allen genannten und möglicherweise vergessenen Kollegen ein herzliches Dankeschön. Auch den Mitarbeitern der Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie gilt mein Dank. Insbesondere Herrn Sieckmann, Herrn Schmidt und Herrn Selsam danke ich für die interessanten Diskussionen und Anmerkungen während der Projektarbeit. Bei Herrn Foerkel möchte ich mich im speziellen für die unkomplizierte Bereitstellung aller benötigten GIS- Daten bedanken. Ein ganz besonderer Dank gilt meiner Frau Dunja und meinen beiden Söhnen Timon und Tristan, ohne deren aufmunternde Unterstützung und Geduld es nicht möglich gewesen wäre, diese Arbeit fertigzustellen. Jena im Oktober 2001 Klaus Bongartz Inhalt KAPITEL 1 Einführung . 1 KAPITEL 2 Stand der Forschung und Problemstellung . 3 2.1 Entwicklung des Prozessverständnisses. 3 2.2 Entwicklung hydrologischer Modelle . 4 2.3 Regionalisierung und Skalenproblematik. 9 2.4 Regionalisierungsansätze (HRU, GRU, REA, HSU, Ökotop, Hydrotop) . 14 2.5 Forschungsbedarf . 18 2.6 Zielsetzung und methodisches Vorgehen . 20 2.6.1 Zielsetzung . 20 2.6.2 Methodisches Vorgehen . 21 i Inhalt KAPITEL 3 Naturräumliche Beschreibung des Untersuchungsgebiete. 25 3.1 Forschungsaktivitäten. 25 3.2 Geographische Lage . 26 3.3 Landschaften (Naturräumliche Verhältnisse) . 27 3.4 Klimatische Verhältnisse . 30 3.5 Geologie . 33 3.5.1 Hydrogeologie . 36 3.5.2 Störungszonen und Versinkungen der Ilm . 38 3.5.3 Wasserhaushalt und Abflussregime . 40 3.5.4 Gewässernetzdichte. 46 3.6 Böden . 48 3.7 Landnutzung . 50 3.8 Datengrundlage . 54 3.8.1 Datenfehler . 54 3.8.2 Niederschlag . 56 3.8.3 Klimatologische Daten . 57 3.8.4 Abfluss . 58 3.8.5 Geodaten . 58 KAPITEL 4 Prozessorientierte Modellkonzepte. 59 4.1 Konzepte zur Ausweisung von Modellierungseinheiten . 60 4.1.1 Der deterministische Regionalisierungsansatz nach dem HRU - Konzept (topographisch). 60 4.1.2 Der deterministische Regionalisierungsansatz nach dem HRU -Konzept (prozessorientiert). 61 4.1.3 Der deterministische Regionalisierungsansatz nach dem HRU - Konzept (topologisch verknüpft). 63 4.2 Das Modellsystem PRMS/MMS. 64 4.2.1 Anwendung . 66 4.2.2 Anpassung der Eingabedaten Niederschlag, Temperatur und Solarstrahlung . 67 ii Inhalt 4.2.2.1 Temperatur . .67 4.2.2.2 Niederschlag . .67 4.2.2.3 Solarstrahlung . .68 4.2.3 Modellierung der Wasserkreislaufkomponenten. .69 4.2.3.1 Interzeption . 69 4.2.3.2 Evapotranspiration . 71 4.2.3.3 Schneeschmelze . .71 4.2.3.4 Infiltration. .76 4.2.4 Modellierung der Abflussbildung . .76 4.2.4.1 Oberflächenabfluss . .77 4.2.4.2 Interflow . .79 4.2.4.3 Grundwasser . .80 4.2.5 Modellierung von Einzelereignissen . .81 4.2.51 Infiltration. .81 4.2.5.2 Oberflächenabfluss . .82 4.2.5.3 Vorfluterabfluss . .84 4.2.5.4 Lineares Speicherrouting . .86 4.2.5.5 Das Modul zur Berechnung des Gerinneabflusses .88 4.2.5.6 Muskingum-Cunge-Verfahren . .89 4.2.6 Das Modellierungssystem MMS und seine objektorien- tierte Weiterentwicklung OMS . .90 KAPITEL 5 Anwendung . 93 5.1 Ableitung der Modelleinheiten (HRUs) . 93 5.1.1 Systemrelevante Charakteristika . 93 5.1.1.1 Relief . 93 5.1.1.2 Hangneigung, Exposition, Mittlere Höhenlage . 94 5.1.1.3 Böden . 95 5.1.1.4 Vegetationsbedeckungsgrad . 97 5.1.1.5 Fließrichtung und Fließakkumulation. 97 5.1.2 Methodik der Flächenableitung. 98 5.1.3 Beschreibung der einzelnen HRU Ableitungen . 102 iii Inhalt 5.2 Parametrisierung der Modellentitäten . 104 5.2.1 Parametrisierung von MMS/PRMS (HRU basiert) . 104 5.2.1.1 Eingangsdaten. 104 5.2.1.2 Versiegelte Flächen. 106 5.2.1.3 Gebietsspezifische Wasserkreislaufkomponeneten 106 5.2.1.4 HRU bezogene Parameter . 113 5.2.2 Parametrisierung von PRMS/MMS (topographisch basiert) . 115 5.2.3 Parametrisierung von PRMS/MMS (topologisch basiert) 115 5.2.4 Modellanwendung. 116 5.2.4.1 Modellkalibrierung. 116 5.2.4.2 Parameteroptimierung . 123 5.2.4.3 Modellvalidierung . 124 5.3 Systemveränderungen innerhalb der Mesoskale . 131 5.3.1 Modellierung mit unterschiedlichen Datengrundlagen 132 5.3.2 Modellierung der Niederschlags- Abflussdynamik unter Einbeziehung der Niederschlagsvariabilität . 145 5.3.3 Modellierung bei differrierender HRU-Ableitung. 150 5.3.4 Untersuchung verschiedener Flächendistributions- konzepte. 152 5.3.4.1 Vergleich der Simulation mit unterschiedlichen Flächendistributionskonzepten (Pegeleinzugsgebiet Niedertrebra) . 153 5.4 Systemanalyse und Modellierung. 158 5.4.1 Schneehydrologie . 158 5.4.2 Gebietsverdunstung. 161 5.4.2.1 Potentielle Evapotranspiration. 161 5.4.2.2 Aktuelle Evapotranspiration . 162 5.4.3 Abflusskomponenten . 163 5.5 Ereignisbezogene Hochwassermodellierung . 167 5.6 Szenarien . 170 5.6.1 Untersuchung eines Landnutzungsszenarios . 170 iv Inhalt KAPITEL 6 Zusammenfassung und Ausblick . 175 Anhang . 181 Literatur . 193 v Abbildungen Abbildung 2.1 Klassifikationsschema hydrologischer Modelle bezüglich der Prozessbeschreibung . ..