Ermittlung der flächendifferenzierten Grundwasserneubildungsrate ...
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<strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> in Südost-Holstein nach<br />
verschiedenen Verfahren unter Verwendung eines<br />
Geoinformationssystems<br />
Inauguraldissertation im<br />
Fachbereiches Geowissenschaften<br />
<strong>der</strong><br />
Freien Universität Berlin<br />
vorgelegt von:<br />
Tammo Meyer<br />
und<br />
Maja Tesmer<br />
Berlin 2000
dissertation.de - Verlag im Internet GmbH<br />
Son<strong>der</strong>ausgabe des Werkes mit <strong>der</strong> ISBN-Nummer: 3-89825-243-4<br />
Inauguraldissertation an <strong>der</strong> Freien Universität Berlin<br />
Fachbereich Geowissenschaften<br />
D188<br />
dissertation.de - Verlag im Internet GmbH<br />
Fritschestr. 68<br />
10 585 Berlin<br />
E-Mail: dissertation.de@snafu.de<br />
URL: http://www.dissertation.de
Kurzfassung<br />
Die durchgeführten Arbeiten standen im engen Zusammenhang mit Untersuchungen<br />
des Landesamtes für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holsteins (LANU) zur<br />
<strong>Ermittlung</strong> des Grundwasserdargebotes. Ziel des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens<br />
(F & E) war es, die flächendifferenzierte <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> für<br />
ein Gebiet von 1290 km 2 zu erheben.<br />
Um eine zuverlässige Berechnung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> zu ermöglichen,<br />
wurden unterschiedliche Verfahren angewandt. Zum Einsatz kamen Methoden, die<br />
es erlaubten die mittlere flächendifferenzierte <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> für lange<br />
Zeiträume zu erheben, da die Ergebnisse in die zukünftige wasserwirtschaftlichen<br />
Rahmenplanungen einfließen werden. Die Auswahl <strong>der</strong> Verfahren richtete sich nach<br />
den Aufgabenstellung und den zur Verfügung stehenden Eingangsdaten. Folgende<br />
Verfahren wurden unter den gegebenen klimatischen und geologischen Voraussetzungen<br />
als geeignet befunden:<br />
1. Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975)<br />
2. JOSOPAIT & LILLICH (1975)<br />
3. DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
4. PROKSCH (1990)<br />
5. RENGER & WESSOLEK (1990)<br />
6. SCHROEDER & WYRWICH (1990)<br />
7. VEKOS (in KLÄMT (1988)<br />
Zeitlich räumlich variable Datensätze, wie Nie<strong>der</strong>schlag und Evapotranspiration wurden<br />
für die Zeitreihe 1961 – 1990 erhoben, ausgewertet und regionalisiert. Die Regionalisierung<br />
dieser Daten erfolgte entwe<strong>der</strong> durch Punktkriging o<strong>der</strong> <strong>der</strong> Polygonmethode.<br />
Des weiteren wurden Abflußdaten anhand unterschiedlicher Methoden<br />
ausgewertet.<br />
Räumlich variable Eingangsdaten, wie geologische Karten, Daten zur Landnutzung<br />
und Morphologie wurden digitalisiert, ausgewertet und in das Geoinformationssystem<br />
ARC/INFO importiert.<br />
Sämtliche Datensätze wurden in ARC/INFO für die weiteren Berechnungen nach den<br />
obengenannten Methoden aufbereitet, analysiert und interpretiert. Neben <strong>der</strong> Analyse,<br />
dem Vergleich und <strong>der</strong> Bewertung <strong>der</strong> Berechnungsergebnisse wurden thematische<br />
Karten in ARC/VIEW erstellt.
Summary<br />
Determination of the spatially variable groundwater recharge by using different<br />
methods and a geographic information system (GIS) in Südost-Holstein<br />
The investigation was incorporated in a hydrogeological investigation programme<br />
conducted by the Department of Nature and Environment of the state Schleswig-<br />
Holstein (LANU). The objective of the research was to determine the rate of groundwater<br />
recharge and its spatial variability for an area of 1290 km 2 .<br />
For the reliable calculation of the groundwater recharge different methods were applied.<br />
Only methods were used, which allowed a spatially variable determination of<br />
recharge for a long-term average, as the results of the calculation will be used for<br />
future groundwater management. The choice of methods was determined by the<br />
studies objectives, the initial data sets and their supplement. Following methods<br />
suited un<strong>der</strong> the given climatic and geological conditions:<br />
1. Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975)<br />
2. JOSOPAIT & LILLICH (1975)<br />
3. DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
4. PROKSCH (1990)<br />
5. RENGER & WESSOLEK (1990)<br />
6. SCHROEDER & WYRWICH (1990)<br />
7. VEKOS (in KLÄMT (1988)<br />
Data sets variable in space and time, like precipitation and evapotranspiration, were<br />
collected for the period of 1961-1990, interpreted and then regionalized by kriging or<br />
the polygon method. Furthermore runoff data were evaluated by using different approaches.<br />
Data variable in space, like geological maps, landuse, morphology were transformed<br />
into digital data sets, evaluated and then imported into the GIS ARC/INFO.<br />
All data sets were prepared, interpreted and analysed in ARC/INFO to build the necessary<br />
database for the calculations, which were performed for the methods mentioned<br />
above. Besides of the analysis, comparison and interpretation of the results, thematic<br />
maps were created using ARC/V IEW.
Inhaltsverzeichnis<br />
1 Einleitung ....................................................................................................................................... 1<br />
1.1 Lage und Beschreibung des Untersuchungsgebietes ................................................................ 2<br />
2 Stand <strong>der</strong> Forschung .................................................................................................................... 7<br />
2.1 Wasserhaushalt und seine Elemente ......................................................................................... 7<br />
2.1.1 Nie<strong>der</strong>schlag ...................................................................................................................... 8<br />
2.1.2 Evapotranspiration ........................................................................................................... 10<br />
2.1.3 Abfluß ............................................................................................................................... 14<br />
2.2 Grundwasserneubildung ........................................................................................................... 19<br />
2.2.1 Lysimeterverfahren........................................................................................................... 25<br />
2.2.2 Das Verfahren nach Renger & Wessolek (1990)............................................................. 26<br />
2.2.3 Das Verfahren nach Bagrov/Glugla (in Grunske, 1975)................................................... 27<br />
2.2.4 Das Verfahren nach Josopait & Lillich (1975) .................................................................. 29<br />
2.2.5 Das Verfahren nach Dörhöfer & Josopait (1980) ............................................................. 30<br />
2.2.6 Das Verfahren nach Schroe<strong>der</strong> & Wyrwich (1992) .......................................................... 31<br />
2.2.7 Grundwasserneubildungsberechnung mit dem Verdunstungskomponentensystem<br />
VEKOS (Klämt, 1988) ...................................................................................................... 32<br />
3 Datengrundlage, -überprüfung, -bearbeitung .......................................................................... 33<br />
3.1 Klima ......................................................................................................................................... 33<br />
3.1.1 Datengrundlage Klima......................................................................................................33<br />
3.1.2 Datengüte und -bearbeitung............................................................................................. 35<br />
3.2 Abfluß........................................................................................................................................ 42<br />
3.2.1 Separation des Basis- und des Direktabflusses............................................................... 44<br />
3.3 Geologie und Bodenkunde ....................................................................................................... 47<br />
3.3.1 Datengrundlage................................................................................................................ 47<br />
3.3.2 Datenbearbeitung............................................................................................................. 47<br />
3.4 ATKIS-Daten............................................................................................................................. 50<br />
3.4.1 Datengüte und Bearbeitung ............................................................................................. 51<br />
3.5 Digitales Geländemodell (DGM) ...............................................................................................53<br />
3.5.1 Datenbearbeitung: Erstellung des digitalen Höhenmodells.............................................. 53<br />
4 Ableitung und Beschreibung <strong>der</strong> Eingangsparameter............................................................ 55<br />
4.1 Nie<strong>der</strong>schlag ............................................................................................................................. 55<br />
4.1.1 Regionalisierung des Nie<strong>der</strong>schlages .............................................................................. 62<br />
4.2 Evapotranspiration .................................................................................................................... 65<br />
4.3 Geologie und Bodenkunde ....................................................................................................... 68<br />
4.3.1 Vergleich bodenkundlicher und geologischer Karten....................................................... 72<br />
4.4 Ableitung <strong>der</strong> Landnutzungsklassen aus ATKIS-Daten ............................................................ 75<br />
4.5 Ableitung des Gewässernetzes aus ATKIS-Daten ................................................................... 77<br />
4.6 Berechnung morphometrischer Reliefparameter aus dem DGM ............................................. 77<br />
4.6.1 Reliefenergie .................................................................................................................... 77<br />
4.6.2 Hangneigung und Hangexposition ................................................................................... 80<br />
4.6.3 Ableitung des Gewässernetzes und <strong>der</strong> oberirdischen Einzugsgebiete .......................... 80<br />
4.7 Festlegung <strong>der</strong> oberirdischen Einzugsgebiete.......................................................................... 82<br />
4.7.1 Beschreibung <strong>der</strong> Einzugsgebiete.................................................................................... 83<br />
4.8 Auswertung <strong>der</strong> Abflußdaten im Bereich Südost-Holstein nach verschiedenen Verfahren...... 86<br />
I
II<br />
4.8.1 Auswertung <strong>der</strong> mittleren monatlichen Niedrigwasserabflüsse (Wundt, 1958)................ 87<br />
4.8.2 Auswertung <strong>der</strong> Abflußganglinien nach dem A u-Linien-Verfahren (Natermann, 1951) ... 91<br />
4.9 Zusammenhänge zwischen den Abflußkomponenten und Gebietsparametern....................... 94<br />
4.9.1 Bivariate Korrelation ......................................................................................................... 95<br />
4.9.2 Auswertung <strong>der</strong> Abflußdaten mit <strong>der</strong> multiplen Regression ............................................. 96<br />
4.9.3 Umsetzung des Modells zur Abschätzung <strong>der</strong> Direktabflußverteilung............................. 99<br />
5 Umsetzung <strong>der</strong> Berechnungsverfahren in einem Geoinformationssystem (GIS) .............. 103<br />
5.1 VEKOS (Klämmt, 1988) .......................................................................................................... 105<br />
5.2 Verfahren nach Renger & Wessolek (1990)........................................................................... 106<br />
5.3 Verfahren nach Bagrov/Glugla (1975) .................................................................................... 108<br />
5.4 Verfahren nach Proksch (1990).............................................................................................. 110<br />
5.5 Verfahren nach Josopait & Lillich (1975) ................................................................................ 112<br />
5.6 Verfahren nach Dörhöfer & Josopait (1980) ........................................................................... 113<br />
5.7 Verfahren nach Schroe<strong>der</strong> & Wyrwich (1990) ........................................................................ 116<br />
6 Ergebnisse <strong>der</strong> Grundwasserneubildungsberechnungen.................................................... 119<br />
6.1 Betrachtung <strong>der</strong> einzelnen Methoden ..................................................................................... 119<br />
6.1.1 Das Verfahren nach Bagrov/Glugla................................................................................ 119<br />
6.1.2 Grundwasserneubildungsberechnung mit dem Verdunstungskomponentensystem<br />
VEKOS ........................................................................................................................... 121<br />
6.1.3 Das Verfahren nach Renger & Wessolek ...................................................................... 124<br />
6.1.4 Das Verfahren nach Proksch ......................................................................................... 126<br />
6.1.5 Das Verfahren nach Bagrov/Glugla unter Berücksichtigung des Direktabflusses ......... 128<br />
6.1.6 Das Verfahren nach Josopait & Lillich............................................................................ 130<br />
6.1.7 Das Verfahren nach Dörhöfer & Josopait ...................................................................... 132<br />
6.1.8 Das Verfahren nach Schroe<strong>der</strong> & Wyrwich.................................................................... 134<br />
6.2 Methodenvergleich.................................................................................................................. 136<br />
6.3 Sensitivitätsanalyse................................................................................................................. 142<br />
7 Diskussion ................................................................................................................................. 149<br />
8 Zusammenfassung.................................................................................................................... 159<br />
9 Literatur...................................................................................................................................... 165<br />
10 Anhang ....................................................................................................................................... 179
Abbildungsverzeichnis<br />
Abbildung 1: Naturräumliche Glie<strong>der</strong>ung Schleswig-Holsteins ........................................................... 3<br />
Abbildung 2: Böden des Östlichen Hügellandes und <strong>der</strong> Hohen Geest.............................................. 4<br />
Abbildung 3: Einflußgrößen auf die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> ..................................... 7<br />
Abbildung 4: Evapotranspiration: Einflüsse und Meßverfahren ........................................................ 10<br />
Abbildung 5: Der Abfluß in Bezug zu wichtigen Einflußgrößen......................................................... 14<br />
Abbildung 6: Schematische Darstellung des Abflußprozesses......................................................... 15<br />
Abbildung 7: Darstellung eines Grundwasserabschnittes (DIN 4049 Teil 3) .................................... 19<br />
Abbildung 8: Modellhafte Darstellung möglicher Grundwasserneubildungsvorgänge in humiden<br />
Bereichen..................................................................................................................... 20<br />
Abbildung 9: Schematisierte Darstellung einer linearen Trendanalyse............................................. 37<br />
Abbildung 10: Schematisierte Darstellung eines Variogrammes ........................................................ 39<br />
Abbildung 11: Schematische Darstellung <strong>der</strong> Parameter zur Berechnung eines richtungsorientierten<br />
Variogrammes.............................................................................................................. 40<br />
Abbildung 12: Konstruktion von Thiessenpolygonen; F1-F4 = zugehörige Flächenanteile................ 41<br />
Abbildung 13: Abflußmeßstellen und <strong>der</strong>en oberirdische Einzugsgebiete in Südost-Holstein............ 42<br />
Abbildung 14: Beobachtungszeiträume <strong>der</strong> Abflußmeßstellen in Südost-Holstein ............................. 44<br />
Abbildung 15: Separation <strong>der</strong> Abflußkomponenten nach den Au – Linien-Verfahren (NATERMANN<br />
1951) und dem MoMNQ – Verfahren (WUNDT, 1958).................................................. 46<br />
Abbildung 16: Schematische Skizze des vorliegenden Kartenmaterials. 48<br />
Abbildung 17: Schematische Skizze <strong>der</strong> Transparentfolie mit den von <strong>der</strong> geologischen und<br />
topographischen Karte erhaltenen Elementen............................................................. 49<br />
Abbildung 18: Schematische Darstellung von Fehlflächen in den ATKIS-Daten................................51<br />
Abbildung 19: Problem <strong>der</strong> Überschneidung von Polygonen und <strong>der</strong> daraus folgenden<br />
unterschiedlichen Attributierung <strong>der</strong> Wasserflächen.................................................... 52<br />
Abbildung 20: Doppelsummenlinien zur Homogenitätsprüfung dargestellt anhand unkorrigierter<br />
Nie<strong>der</strong>schlagswerte <strong>der</strong> Zeitreihe 1961-1990 von 12 Nie<strong>der</strong>schlagsstationen ............ 55<br />
Abbildung 21: Feldverteilung <strong>der</strong> Standardabweichung <strong>der</strong> unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlagsdaten <strong>der</strong><br />
Zeitreihe 1961-1990 ..................................................................................................... 56<br />
Abbildung 22: Repräsentanz <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsreihe <strong>der</strong> Station Schwarzenbek in Abhängigkeit von<br />
<strong>der</strong> Entfernung zu 27 Nie<strong>der</strong>schlagsstationen des erweiterten Untersuchungsraumes<br />
mit entsprechenden Ausgleichsgeraden. ..................................................................... 57<br />
Abbildung 23: Kasten-Faden-Diagramm <strong>der</strong> jährlichen korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagsmengen (1961-<br />
1990) ............................................................................................................................ 58<br />
Abbildung 24: Lineare Trendanalyse <strong>der</strong> korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagszeitreihe 1961-1990 <strong>der</strong> Station<br />
Schwarzenbek.............................................................................................................. 59<br />
Abbildung 25: Mittlere korrigierte monatliche Nie<strong>der</strong>schlagssummen 1961-1990 <strong>der</strong> Station<br />
Schwarzenbek.............................................................................................................. 59<br />
Abbildung 26: Gegenüberstellung <strong>der</strong> korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagssummen (Nkor) für das 30-jährige<br />
Mittel 1961-1990, Naß- und Trockenjahr ..................................................................... 61<br />
III
IV<br />
Abbildung 27: Mittlere korrigierte Jahresnie<strong>der</strong>schlagssummen (Nkor) 1961-1990 <strong>der</strong> auf einer West-<br />
Ost-Achse aufgetragenen Nie<strong>der</strong>schlagsstationen mit Angabe des linearen Trends.. 61<br />
Abbildung 28: Häufigkeitsverteilung und kummulierte Häufigkeit (%) <strong>der</strong> mittleren korrigierten<br />
Nie<strong>der</strong>schlagshöhen 1961-1990 .................................................................................. 63<br />
Abbildung 29: Trendflächenanalyse <strong>der</strong> korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagsdaten, Zeitreihe 1961-1990 63<br />
Abbildung 30: Experimentelles Richtungsvariogramm <strong>der</strong> mittleren jährlichen Nie<strong>der</strong>schlagshöhen<br />
(1961-1990).................................................................................................................. 64<br />
Abbildung 31: a) Kasten-Faden-Diagramm <strong>der</strong> jährlichen potentiellen Evapotranspirationssummen<br />
<strong>der</strong> Zeitreihe 1961/90 nach Turc-Ivanov und b) nach HAUDE (1954) ........................... 65<br />
Abbildung 32: Klimatische Wasserbilanz <strong>der</strong> Station Hamburg-Fühlsbüttel................................. ...... 67<br />
Abbildung 33: Substrattypenverteilung nach SCHROEDER & WYRWICH (1990) .................................... 71<br />
Abbildung 34: a) Differenzenkarte <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität zwischen bodenkundlicher und<br />
geologischer Kartenrandlegendenauswertung. b) Differenzenkarte zwischen<br />
geologischer und bodenkundlicher Substrattypenauswertung nach SCHROEDER &<br />
WYRWICH (1990) .......................................................................................................... 74<br />
Abbildung 35: prozentuale Flächenanteile <strong>der</strong> zusammengefaßten Landnutzungsgruppen an <strong>der</strong><br />
Gesamtfläche ......................................................................................................... 75<br />
Abbildung 36: Landnutzung im Untersuchungsgebiet......................................................................... 76<br />
Abbildung 37: Schematische Darstellung <strong>der</strong> Bestimmung <strong>der</strong> Reliefenergie: links <strong>Ermittlung</strong> von<br />
Minimum und Maximum <strong>der</strong> Gridwerte in 1km 2 ; rechts Zuordnung <strong>der</strong> Differenz zu<br />
einem Gridpunkt mit <strong>der</strong> Fläche 1km 2 . ........................................................................ 78<br />
Abbildung 38: Verteilung <strong>der</strong> Reliefenergie im Untersuchungsraum Südost-Holstein........................ 79<br />
Abbildung 39: Fließwege in einem DGM gestützten Fließmodell; nach (LEMPERT ET AL., 1994) ........ 81<br />
Abbildung 40: Vergleich zwischen berechnetem und tatsächlichem Einzugsgebiet des Pegels<br />
Rehagen/Bunsbach...................................................................................................... 82<br />
Abbildung 41: Festlegung und Digitalisierung <strong>der</strong> oberirdischen Einzugsgebiete............................... 83<br />
Abbildung 42: Direktabflußanteile vom Gesamtabfluß in den hydrologischen Halbjahren ................. 90<br />
Abbildung 43: Quotienten <strong>der</strong> Winter- und Sommerbasisabflüsse <strong>der</strong> Einzugsgebiete ..................... 91<br />
Abbildung 44 Abfluß–Nie<strong>der</strong>schlag–Diagramm des Pegels Barnitz / Quellenthal ............................. 93<br />
Abbildung 45: Streudiagramme von ausgewählten Abfluß- und Gebietskenngrößen ........................ 95<br />
Abbildung 46: Direktabflüsse aus dem Modell gegen die aus <strong>der</strong> Abflußauswertung nach dem<br />
MoMNQ-Verfahren....................................................................................................... 99<br />
Abbildung 47: Karte <strong>der</strong> mit Hilfe <strong>der</strong> multiplen Regression abgeschätzten Direktabflußhöhen....... 100<br />
Abbildung 48: Direktabflußspenden nach <strong>der</strong> Abflußdatenauswertung und nach dem <strong>der</strong><br />
Einzugsgebietsmittel aus <strong>der</strong> Rasterzellenberechnung mittels multipler Regression 101<br />
Abbildung 49: Prinzip eines Geoinformationssystems ...................................................................... 103<br />
Abbildung 50: Schematische Darstellung des Verfahrenganges mit Datensätzen aus VEKOS....... 106<br />
Abbildung 51: Schematische Darstellung des Verfahrenganges für das Verfahren nach RENGER &<br />
WESSOLEK ................................................................................................................. 108<br />
Abbildung 52: Diagramm zur Bestimmung von “y” in Abhängigkeit von “x” und Effektivitätsparameter<br />
“n"............................................................................................................................... 109
Abbildung 53: Schematische Darstellung des Verfahrenganges für das Verfahren nach<br />
BAGROV/GLUGLA ......................................................................................................... 110<br />
Abbildung 54: Schematische Darstellung des Verfahrenganges für das Verfahren nach PROKSCH 111<br />
Abbildung 55: Schematische Darstellung des Verfahrenganges für das Verfahren nach JOSOPAIT &<br />
LILLICH ........................................................................................................................ 113<br />
Abbildung 56: <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> Grundwasserneubildung mit Hilfe eines Diagrammes aus DÖRHÖFER &<br />
JOSOPAIT .................................................................................................................... 114<br />
Abbildung 57: Rechtwinkliges Dreieck und seine Bezeichnungen.................................................... 115<br />
Abbildung 58: Schematische Darstellung des Verfahrenganges für das Verfahren nach DÖRHÖFER &<br />
JOSOPAIT..................................................................................................................... 116<br />
Abbildung 59: Schematische Darstellung des Verfahrenganges für das Verfahren nach SCHROEDER &<br />
WYRWICH.................................................................................................................... 117<br />
Abbildung 60: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität<br />
(nFK); Verfahren nach Bagrov/Glugla ohne Berücksichtigung des Direktabflusses.. 120<br />
Abbildung 61: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität<br />
(nFK); Grundwasserneubildungsberechnungen mit dem Verdunstungskomponentensystem<br />
VEKOS........................................................................................................... 122<br />
Abbildung 62: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität<br />
(nFK); Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990)................................................. 125<br />
Abbildung 63: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den Substratklassen; Verfahren<br />
nach PROKSCH............................................................................................................ 127<br />
Abbildung 64: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit<br />
prozentualen Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren<br />
Feldkapazität (nFK); Verfahren nach Bagrov/Glugla unter Berücksichtigung des<br />
Direktabflusses........................................................................................................... 129<br />
Abbildung 65: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit<br />
prozentualen Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den<br />
Bodengruppen; Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH .................................................. 131<br />
Abbildung 66: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit<br />
prozentualen Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den<br />
Bodenartengruppen; Verfahren nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT ................................... 133<br />
Abbildung 67: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit<br />
prozentualen Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den Bodentypen;<br />
Verfahren nach SCHROEDER & WYRWICH ................................................................... 135<br />
Abbildung 68: Kasten-Faden-Diagramm <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
(1961-1990) ............................................................................................................... 136<br />
Abbildung 69: Klassifizierung <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> anhand <strong>der</strong> Standardabweichung ...... 140<br />
Abbildung 70: Klassifizierung <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> anhand <strong>der</strong> Standardabweichung mit<br />
Berücksichtigung des Direktabflusses ...................................................................... 141<br />
V
VI<br />
Abbildung 71: Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> in Abhängigkeit von Landnutzung und<br />
Substrat, berechnet für die Nie<strong>der</strong>schlagsstation Schwarzenbek anhand<br />
unterschiedlicher Verfahren ....................................................................................... 146
Tabellenverzeichnis<br />
Tabelle 1: Jahresgang des mittleren prozentualen Nie<strong>der</strong>schlagsmeßfehlers für Schleswig-Holstein 9<br />
Tabelle 2: Vor- und Nachteile <strong>der</strong> Berechnungsverfahren <strong>der</strong> Grundwasserneubildung bei <strong>der</strong><br />
Betrachtung des Sickerraumes ........................................................................................ 22<br />
Tabelle 3: Vor- und Nachteile <strong>der</strong> Berechnungsverfahren <strong>der</strong> Grundwasserneubildung bei <strong>der</strong><br />
Betrachtung des Gerinneabflusses .................................................................................. 23<br />
Tabelle 4: Vor- und Nachteile <strong>der</strong> Berechnungsverfahren <strong>der</strong> Grundwasserneubildung bei <strong>der</strong><br />
Betrachtung des Grundwasserraumes............................................................................. 24<br />
Tabelle 5: Auflistung <strong>der</strong> verfügbaren Nie<strong>der</strong>schlagsdaten ............................................................... 34<br />
Tabelle 6: Wettterstationen des Gesamtuntersuchungsgebietes ...................................................... 35<br />
Tabelle 7: Abflußmeßstellen im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein ............................................ 43<br />
Tabelle 8: Aufgenommene geologische und bodenkundliche Karten................................................ 47<br />
Tabelle 9: Flächenart und Anzahl <strong>der</strong> häufigsten Kleinflächen .......................................................... 52<br />
Tabelle 10: Mittlere korrigierte Nie<strong>der</strong>schlagshöhe, hydrologisches Winterhalbjahr (Wihj) &<br />
hydrologisches Sommerhalbjahr (Sohj) 1961-1990 ......................................................... 60<br />
Tabelle 11: Vergleich <strong>der</strong> nach HAUDE (1954) und Turc-Ivanov berechneten potentiellen<br />
Evapotranspirationshöhen (Mittel 1961/90)...................................................................... 66<br />
Tabelle 12: Bodenartengruppen nach (AGBODEN, 1996).................................................................... 69<br />
Tabelle 13: Gegenüberstellung <strong>der</strong> Einstufung <strong>der</strong> nFKWe nach KA 3 und KA 4 ............................... 70<br />
Tabelle 14: Hangneigungsstufen nach (AGBODEN, 1996) ................................................................... 80<br />
Tabelle 15: Durchschnittliche Reliefenergie (RE) <strong>der</strong> Einzugsgebiete................................................. 84<br />
Tabelle 16: Flächenanteile <strong>der</strong> Hauptlandnutzungsarten <strong>der</strong> Einzugsgebiete <strong>der</strong> gewässerkundlichen<br />
Abflußmeßstellen .............................................................................................................. 85<br />
Tabelle 17: Flächenanteile <strong>der</strong> Substratklassen nach dem Verfahren von SCHROEDER & WYRWICH<br />
(1990) ................................................................................................................................ 86<br />
Tabelle 18: Die bedeutendsten Grundwasserentnahmen im Untersuchungsgebiet............................ 87<br />
Tabelle 19: Ergebnisse <strong>der</strong> Abflußdatenauswertung nach dem MoMNQ-Verfahren........................... 88<br />
Tabelle 20: Ergebnisse <strong>der</strong> Abflußdatenauswertung nach dem Verfahren von KILLE (1958).............. 88<br />
Tabelle 21: Jahreszeitlich differenzierte Abflußkomponenten.............................................................. 90<br />
Tabelle 22: Auswertung <strong>der</strong> Abflußganglinie nach dem Verfahren von NATERMANN (1951)................ 92<br />
Tabelle 23: Pearson-Korrelationskoeffizienten <strong>der</strong> Abflußkomponenten nach MoMNQ-Verfahren) mit<br />
dem Nie<strong>der</strong>schlag ............................................................................................................. 94<br />
Tabelle 24: Pearson-Korrelationskoeffizienten <strong>der</strong> Gebietskenngrößen.............................................. 95<br />
Tabelle 25: Pearson-Korrelationskoeffizienten .................................................................................... 96<br />
Tabelle 26: Modellbeschreibung <strong>der</strong> linearen multiplen Regression.................................................... 97<br />
Tabelle 27: Prozentualer Flächenanteil (alle Einzugsgebiete) ............................................................. 98<br />
Tabelle 28: Zusammenfassung <strong>der</strong> Ergebnisse mit den Einflußgrößen Acker/Sand und Acker/Lehm...<br />
..................................................................................................................................... 98<br />
Tabelle 29: Eingangsparameter <strong>der</strong> gewählten Verfahren; + = berücksichtigt, u = unkorrigierter ..... 104<br />
VII
VIII<br />
Tabelle 30: Mittlere effektive Durchwurzelungstiefe in Abhängigkeit von Bodenart und Nutzungsform ..<br />
................................................................................................................................... 107<br />
Tabelle 31: Konstanten nach RENGER & WESSOLEK (1996)............................................................... 107<br />
Tabelle 32: Abgeleitete Werte für den Effektivitätsparameter “n” in Abhängigkeit vom Bewuchs und<br />
<strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität (nFK) .................................................................................. 109<br />
Tabelle 33: Lysimetergleichungen nach PROKSCH (1990); N = mittlere unkorrigierte<br />
Jahresnie<strong>der</strong>schlagshöhe ............................................................................................... 111<br />
Tabelle 34: Lysimetergleichungen nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) .................................................. 112<br />
Tabelle 35: Nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) abgeleitete reale Evapotranspirationswerte in<br />
Abhängigkeit vom Substrat, Landnutzung und Flurabstand............................................ 114<br />
Tabelle 36: Zuordnung <strong>der</strong> Reliefenergie in die jeweilige A/Au-Stufen und Beschreibung <strong>der</strong> A/Au-<br />
Geraden nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) ................................................................. 115<br />
Tabelle 37: Reale Evapotranspirationshöhen in Abhängigkeit von Bodentyp und Landnutzung in<br />
mm/a, aus SCHROEDER & WYRWICH (1990) .................................................................... 116<br />
Tabelle 38: Ableitung des prozentualen Anteils des Direktabflusses am Wasserüberschuß in<br />
Abhängigkeit von Bodengruppe, Reliefenergie (RE) und Bewuchs - verän<strong>der</strong>t nach<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1990)....................................................................................... 117<br />
Tabelle 39: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit<br />
prozentualen Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren<br />
Feldkapazität (nFK); Verfahren nach Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) ohne<br />
Berücksichtigung des Direktabflusses ........................................................................... 121<br />
Tabelle 40: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit<br />
prozentualen Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren<br />
Feldkapazität (nFK); Grundwasserneubildungsberechnungen mit dem<br />
Verdunstungskomponenten- system VEKOS (KLÄMT, 1988).......................................... 123<br />
Tabelle 41: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität (nFK);<br />
Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990) ................................................................. 125<br />
Tabelle 42: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den Substratklassen; Verfahren<br />
nach PROKSCH (1990)...................................................................................................... 128<br />
Tabelle 43: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit<br />
prozentualen Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren<br />
Feldkapazität (nFK); Verfahren nach Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) unter<br />
Berücksichtigung des Direktabflusses ..................................................................................<br />
................................................................................................................................... 130<br />
Tabelle 44: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit<br />
prozentualen Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den Bodengruppen,<br />
Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) ..................................................................... 132<br />
Tabelle 45: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit<br />
prozentualen Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den<br />
Bodenartengruppen; Verfahren nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980).............................. 134<br />
Tabelle 46: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit<br />
prozentualen Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den Bodentypen;<br />
Verfahren nach SCHROEDER & WYRWICH (1990)............................................................. 136
Tabelle 47: Statistische Kenngrößen <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nach verschiedenen Verfahren ....................................... 137<br />
Tabelle 48: Gebietsmittel und prozentuale Abweichung des anhand von bodenkundlichen Karten<br />
(Bodenk.) berechneten Gebietsmittel <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) von dem<br />
aus geologischen Karten (Geol.) berechneten................................................................ 143<br />
Tabelle 49: Absolute Höhen und Sensitivitätsindices (I) <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) bei<br />
vorgegebener Landnutzung und einer Substratvariation von Reinsand (ss) zu Sandlehm<br />
(sl) ................................................................................................................................... 144<br />
Tabelle 50: Absolute Höhen und Sensitivitätsindices (I) <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) in<br />
Abhängigkeit von Variationen <strong>der</strong> Landnutzungsverhältnisse......................................... 145<br />
Tabelle 51: Sensitivitätsindices (I) <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) für den Parameter<br />
Nie<strong>der</strong>schlag.................................................................................................................... 147<br />
Tabelle 52: Berechneten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n (Gwnr) für Acker und Grünland nach den<br />
Verfahren: RENGER & WESSOLEK (1990), PROKSCH (1990) und dem Programmpaket<br />
VEKOS (KLÄMT, 1988); berechnet für die Nie<strong>der</strong>schlagsstation Schwarzenbek ............ 153<br />
Tabelle 53: Berechneten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n (Gwnr) für Laub- und Nadelwald nach den<br />
Verfahren: RENGER & WESSOLEK (1990), PROKSCH (1990); SCHROEDER & WYRWICH<br />
(1990) und dem Programmpaket VEKOS (KLÄMT, 1988); berechnet für die<br />
Nie<strong>der</strong>schlagsstation Schwarzenbek............................................................................... 153<br />
IX
X<br />
Anhangsverzeichnis<br />
Anhang 1.1: Lage des Untersuchungsgebietes Südost-Holstein mit <strong>der</strong> Verteilung <strong>der</strong><br />
Anhang 4.1.3:<br />
Nie<strong>der</strong>schlags- und Klimastationen<br />
Mittlere Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung <strong>der</strong> korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagssummen [mm/a] <strong>der</strong><br />
Zeitreihe 1961–1990. Interpolationsverfahren: Punktkriging<br />
Anhang 4.1.4: Mittlere Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung und Schätzstandardabweichung <strong>der</strong> korrigierten<br />
Nie<strong>der</strong>schlagssummen [mm/a] <strong>der</strong> Zeitreihe 1961–1990. Interpolationsverfahren:<br />
Punktkriging<br />
Anhang 4.1.5: Mittlere Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung <strong>der</strong> unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlagssummen [mm/a]<br />
<strong>der</strong> Zeitreihe 1961–1990. Interpolationsverfahren: Punktkriging<br />
Anhang 4.1.6: Mittlere Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung <strong>der</strong> unkorrigierten Sommerhalbjahre [mm/a] <strong>der</strong><br />
Zeitreihe 1961–1990. Interpolationsverfahren: Punktkriging<br />
Anhang 4.1.7: Mittlere Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung <strong>der</strong> unkorrigierten Winterhalbjahre [mm/a] <strong>der</strong><br />
Zeitreihe 1961–1990. Interpolationsverfahren: Punktkriging<br />
Anhang 4.1.9: Karte <strong>der</strong> mittleren potentiellen Evapotranspirationshöhen nach Turc-Ivanov <strong>der</strong><br />
Zeitreihe 1961–1990<br />
Anhang 4.1.10: Karte <strong>der</strong> mittleren potentiellen Evapotranspirationshöhen nach Haude <strong>der</strong> Zeitreihe<br />
1961–1990<br />
Anhang 4.4.1: Klassifizierung <strong>der</strong> ATKIS-Daten zur Erhebung <strong>der</strong> Landnutzung<br />
Anhang 4.8.1: Direktabflußspenden nach dem MoMNQ-Verfahren (WUNDT, 1958)<br />
Anhang 4.8.2: Basisabflußspenden nach dem MoMNQ-Verfahren (WUNDT, 1958)<br />
Anhang 4.9.1: Korrelationstabelle <strong>der</strong> jährlichen und <strong>der</strong> halbjährlichen<br />
Anhang 4.9.2:<br />
Abflußkomponentenspenden mit den Gebietsparametern<br />
Modellzusammenfassung <strong>der</strong> multiplen linearen Regression zur Schätzung <strong>der</strong><br />
Direktabflußspendenhöhe<br />
Anhang 5.3.1: Formeln zu <strong>Ermittlung</strong> des Quotienten “y” nach Bagrov/Glugla<br />
Anhang 6.1.1: Karte <strong>der</strong> mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet Südost-<br />
Holstein im Zeitraum 1961-1990. Berechnungsansatz nach Bagrov/Glugla (ohne<br />
Berücksichtigung des Direktabflusses)<br />
Anhang 6.1.2: Karte <strong>der</strong> mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet Südost-<br />
Holstein im Zeitraum 1961-1990. Berechnungsansatz anhand von VEKOS-Daten<br />
(ohne Berücksichtigung des Direktabflusses)<br />
Anhang 6.1.3: Karte <strong>der</strong> mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet Südost-<br />
Holstein im Zeitraum 1961-1990. Berechnungsansatz nach Renger & Wessolek<br />
(ohne Berücksichtigung des Direktabflusses)<br />
Anhang 6.1.4: Karte <strong>der</strong> mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet Südost-<br />
Holstein im Zeitraum 1961-1990. Berechnungsansatz nach Proksch (ohne<br />
Berücksichtigung des Direktabflusses)<br />
Anhang 6.1.5: Karte <strong>der</strong> mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet Südost-<br />
Holstein im Zeitraum 1961-1990. Berechnungsansatz nach Bagrov/Glugla<br />
Anhang 6.1.6: Karte <strong>der</strong> mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet Südost-<br />
Holstein im Zeitraum 1961-1990. Berechnungsansatz nach Josopait & Lillich<br />
Anhang 6.1.7: Karte <strong>der</strong> mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet Südost-<br />
Holstein im Zeitraum 1961-1990. Berechnungsansatz nach Dörhöfer & Josopait<br />
Anhang 6.1.8: Karte <strong>der</strong> mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet Südost-<br />
Holstein im Zeitraum 1961-1990. Berechnungsansatz nach Schroe<strong>der</strong> & Wyrwich
1 Einleitung<br />
Veranlassung und Zielsetzung<br />
Im Dezember 1996 beauftragte das Landesamt für Natur und Umwelt Schleswig-<br />
Holstein (LANU) die Freie Universität Berlin, Fachbereich Rohstoff- und Umweltgeologie,<br />
Wasserhaushaltsuntersuchungen im Planungsraum Südostholstein durchzuführen<br />
sowie aufgrund <strong>der</strong> erarbeiteten Erkenntnisse eine Machbarkeitsstudie für den<br />
benachbarten Raum Lübeck zu erstellen. Ziel des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens<br />
ist die flächenhafte <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>. Die Vergabe<br />
des Auftrages steht im engen Zusammenhang mit Untersuchungen des LANUs<br />
zur <strong>Ermittlung</strong> des Grundwasserdargebotes. Diese Untersuchungen dienen <strong>der</strong> Beschreibung<br />
<strong>der</strong> Größe und räumlichen Verteilung <strong>der</strong> verfügbaren Grundwassermengen<br />
unter Berücksichtigung von hydrogeologischen, hydrologischen sowie wasserwirtschaftlichen<br />
Aspekten (OTTO, 1998). Die Notwendigkeit <strong>der</strong> Untersuchungen ergibt<br />
sich aus <strong>der</strong> im folgenden dargestellten Sachlage.<br />
In Schleswig-Holstein erfolgt die Trinkwasserversorgung hauptsächlich aus dem<br />
Grundwasser, wobei seit Jahren ein Anstieg des Wasserverbrauches festzustellen<br />
ist. Während Ende <strong>der</strong> 60er Jahre <strong>der</strong> Bedarf rund 113 Mio m 3 /a betrug, stieg er bis<br />
1992 auf rund 218 Mio m 3 /a und stagniert seitdem auf diesem (SCHLESWIG-HOLSTEIN,<br />
1999a). Durch das verarbeitende Gewerbe kommen noch weitere Grundwasserentnahmen<br />
von über 40 Mio. m 3 /a hinzu (AGSTER, 1996). Dies entspricht einer Verdoppelung<br />
des Bedarfes. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, zur Sicherung <strong>der</strong><br />
Trinkwasserversorgung in Schleswig-Holstein, mögliche Trinkwassergewinnungsgebiete<br />
zu erfassen.<br />
Die Entnahme von Grundwasser zur Gewinnung von Trink- und Brauchwasser setzt<br />
die Erteilung eines Wasserrechtes voraus. Wasserwirtschaftliche Planungen obliegen<br />
gemäß dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) den Län<strong>der</strong>n (MICHELSEN, 1991).<br />
Zum Schutz des Grundwassers unterliegt die Trink- und Brauchwassergewinnung im<br />
zunehmenden Maße strengen ökologischen und rechtlichen Auflagen. Ursache<br />
hierfür ist, daß es in <strong>der</strong> Vergangenheit aufgrund von wasserbaulichen Eingriffen<br />
häufig zu erheblichen Beeinträchtigungen des Wasserhaushaltes kam. Regionale<br />
Grundwasserabsenkungen führten zu beträchtlichen Ertragseinbußen für die Landwirtschaft<br />
sowie einer drastischen Abnahme von ökologisch bedeutsamen Feuchtbiotopen<br />
(WESSOLEK, 1989). Aus diesem Grunde sind Maßnahmen zur Erhaltung und<br />
Verbesserung <strong>der</strong> Wasserversorgung, unter Berücksichtigung ökologischer Aspekte,<br />
außerordentlich wichtig. Für die Umsetzung dieser Ziele ist es erfor<strong>der</strong>lich, die<br />
Wechselwirkung im System Atmosphäre-Pflanze-Boden-Grundwasser zu analysieren,<br />
um negative Auswirkungen minimieren zu können.<br />
1
2<br />
Im Rahmen des Wasserrechtsverfahrens dienen hydrogeologische und bodenkundliche<br />
Gutachten <strong>der</strong> Beurteilung <strong>der</strong> Wasserhaushaltsän<strong>der</strong>ungen durch Grundwasserentnahme<br />
(KLUES & RAISSI, 1995). Wesentliche Grundlage ist die Bestimmung <strong>der</strong><br />
Regeneration <strong>der</strong> natürlichen Grundwasserressourcen. Diese erfolgt im wesentlichen<br />
durch die Grundwasserneubildung aus Nie<strong>der</strong>schlägen (MEYER ET AL., 1998).<br />
Die <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> Grundwasserneubildung kann nur durch die vergleichende Verwendung<br />
mehrerer Methoden verläßlich bestimmt werden (BREDENKAMP ET AL., 1995;<br />
HYDROGEOLOGIE, 1977). Im Rahmen dieser Arbeit werden Verfahren angewendet, die<br />
die <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im langjährigen<br />
Mittel erlauben. Die Verfahren weisen unterschiedliche Betrachtungsschwerpunkte<br />
und Eingangsdaten auf. Um die Auswirkung <strong>der</strong> verfahrensspezifischen Betrachtungsschwerpunkte<br />
auf das Berechnungsergebnis zu quantifizieren, werden die<br />
Ergebnisse einan<strong>der</strong> gegenüber gestellt. Die resultierende Ergebnisbandbreite ermöglicht<br />
Rückschlüsse auf die Sicherheit <strong>der</strong> Berechnungen.<br />
1.1 Lage und Beschreibung des Untersuchungsgebietes<br />
Das Untersuchungsgebiet Südost-Holstein wird im Süden von <strong>der</strong> Elbe begrenzt. Die<br />
westliche Grenze verläuft von Hamburg im Süden bis nach Bad Oldesloe. Im Norden<br />
bildet die Trave, im Osten <strong>der</strong> Elbe-Lübeck-Kanal, die Begrenzung des Untersuchungsgebietes<br />
(vgl. Anhang 1.1). Das Untersuchungsgebiet umfaßt eine Fläche von<br />
1290 km 2 .<br />
Folgende topographische Karten im Maßstab 1 : 25 000 (TK 25) decken das Gebiet<br />
ab:<br />
- 2128 Bad Oldesloe, 2129 Hamberge,<br />
- 2227 Bargteheide, 2228 Eichede, 2229 Krumesse,<br />
- 2327 Ahrensburg, 2328 Trittau, 2329 Nusse, 2330 Mölln, 2331 Seedorf<br />
- 2427 Glinde, 2428 Schwarzenbek, 2429 Siebeneichen, 2430 Gudow<br />
- 2527 Bergedorf, 2528 Geesthacht, 2529 Büchen<br />
- 2628 Artlenburg, 2629 Lauenburg<br />
Landschaft und Böden<br />
Die heutige Gestalt und Oberflächenform Schleswig-Holsteins wurden vorwiegend<br />
durch Eiszeit und Nacheiszeit geprägt. Typisch sind eiszeitliche Ablagerungen wie<br />
Moränen, Sande und Kiese. Es werden vier Nordwest-Südost verlaufende Landschaftszonen<br />
unterschieden, das Östliche Hügelland, die Vorgeest, die Hohe Geest<br />
und die Marschen und Nie<strong>der</strong>ungen. Im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein treten<br />
zwei <strong>der</strong> beschriebenen Einheiten auf (vgl. Abbildung 1). Im südlichen Teil herrscht<br />
die Hohe Geest vor. Der nördliche Teil des Untersuchungsgebietes ist durch das<br />
Östliche Hügelland geprägt.
Nordsee<br />
Legende<br />
Elbe<br />
Marschen & Nie<strong>der</strong>ungen<br />
Geest<br />
Vorgeest<br />
Östliches Hügelland<br />
Seen<br />
0 10 20 30 km<br />
DÄNEMARK<br />
Nie<strong>der</strong>sachsen<br />
Hamburg<br />
Ostsee<br />
Lübecker Bucht<br />
Mecklenburg<br />
Abbildung 1: Naturräumliche Glie<strong>der</strong>ung Schleswig-Holsteins, nach (Wilhelm,<br />
1970); Untersuchungsraum umrandet<br />
Das Östliche Hügelland ist eine Bildung <strong>der</strong> letzten Eiszeit (Weichselvereisung) und<br />
wird auch als Jungmoränengebiet bezeichnet. Es wird im Westen von den Endmoränen<br />
des maximalen, weichseleiszeitlichen Gletschervorstoßes und im Osten von <strong>der</strong><br />
Ostsee begrenzt. Typische Ablagerungen sind Geschiebemergel, Sande und Kiese<br />
(PAFFEN, 1970). Hierbei handelt es sich um Moränen, die teilweise durch nachfolgende<br />
Eisvorstöße gestaucht wurden (JOHANNSEN, 1980). Verschiedene Phasen des<br />
Eisvorstoßes mit anschließenden Phasen des Abschmelzens hinterließen eine reliefreiche,<br />
kuppige Grund- und Endmoränenlandschaft (AGSTER, 1996; REICHE &<br />
SCHLEUß, 1992).<br />
Während die Kuppen <strong>der</strong> Grundmoränenlandschaft zwischen 10 und 60 m ü. NN<br />
liegen, erreicht die Morphologie in den aufgestauchten Endmoränenzügen bis ca.<br />
100 m ü. NN (WILHELM, 1970). Die höchste Erhebung Holsteins, <strong>der</strong> Bungsberg<br />
(164 m ü. NN), gilt als Nunatak (eisfreie Hochlage), <strong>der</strong>en Bildung in die vorausgegangene<br />
Saale-Eiszeit fällt (SCHIMMING & BLUME, 1993). Solche eisfreien Hochlagen,<br />
die von den weichseleiszeitlichen Gletschern umflossen wurden, sind wahrscheinlich<br />
die Hahnheide östlich von Trittau mit Höhen bis 99 m ü. NN und die Erhebung im<br />
Raum Talkau-Niendorf/Stecknitz.<br />
3
4<br />
Auf den weitverbreiteten jungdiluvialen Geschiebemergeln, die heute bis in eine Tiefe<br />
von 50 – 200 cm entkalkt und verlehmt sind, entstanden vornehmlich Parabraunerden<br />
ohne o<strong>der</strong> mit Staunässeeinfluß (vgl. Abbildung 2).<br />
Hamburg<br />
Ei<strong>der</strong><br />
Elbe<br />
Ostsee<br />
Elbe-Lübeck-Kanal<br />
Lübecker Bucht<br />
Mecklenburg<br />
0 10 20 30 km<br />
Legende<br />
Östliches Hügelland<br />
nicht bis schwach gebleichte Parabraunerde<br />
(Brauner Waldboden = eutrophe<br />
Parabraunerde)<br />
mäßig gebleichte Parabraunerde und<br />
Pseudogley-Parabraunerde<br />
mäßig gebleichter Waldpodsol, über<br />
Lehm meist staunaß (rostfarbener<br />
Waldboden = mesotrophe Braunerde)<br />
nicht bis schwach gebleichter nasser<br />
Waldboden (Pseudogley und Gley)<br />
Vorgeest und Hohe Geest<br />
feuchter Heidepodsol (Gleypodsol) mit<br />
Orterde und Ortstein<br />
mäßig bis stark gebleichter Waldpodsol<br />
(Braunpodsol-Podsol), über Lehm meist<br />
staunaß<br />
podsolierte Parabraunerde (Parabraunerde-Podsol)<br />
mäßig bis starkgebleichter nasser<br />
Waldboden (Podsol-Pseudogley)<br />
Abbildung 2: Böden des Östlichen Hügellandes und <strong>der</strong> Hohen Geest, nach (PAFFEN, 1970)<br />
Die Böden besitzen Ackerzahlen zwischen 45 und 65. Inselhaft treten Sande und<br />
Kiese, insbeson<strong>der</strong>e in Rinnentälern und auf Endmoränen, auf (PAFFEN, 1970). Diese<br />
Standorte zeigen mitunter eine starke Podsolierung (SCHLICHTING, 1960). Über tonigem<br />
Untergrund kommt es unter Stauwassereinfluß zur Ausbildung von Pseudogleyen<br />
(BLUME ET AL., 1993). In Muldenlagen und bei oberflächennahem Grundwasser<br />
treten Gleye, Anmoore, Nie<strong>der</strong>moore und entsprechende Übergangstypen auf.<br />
Die raschen wechselnden Gesteins- und Bodenverhältnisse geben <strong>der</strong> Jungmoränenlandschaft<br />
eine sehr unregelmäßige angeordnete, abwechslungsreiche ökologische<br />
Feinstruktur, die sich in Hydrologie, Boden und in dem Wechsel von Wald, Akker,<br />
Grünland und Mooren wi<strong>der</strong>spiegelt.<br />
Die Hohe Geest (Altmoränengeest) ist ein Gebiet, das in <strong>der</strong> Saale-Eiszeit entstanden<br />
ist. Moränenzüge und kleinere San<strong>der</strong>flächen wechseln miteinan<strong>der</strong>, wodurch es<br />
zu einer unterschiedlichen Ausprägung des Reliefes kommt. Aufgrund <strong>der</strong> länger<br />
wirksamen Abtragung und <strong>der</strong> zusätzlichen Beeinflussung durch die periglazialen
Erscheinungen <strong>der</strong> Weichseleiszeit (Solifluktion, Ablation) finden sich hier mit Höhen<br />
zwischen 30 bis 91 m ü. NN geringere Höhenunterschiede als im östlichen Hügelland<br />
(LIEDTKE & MARCINEK, 1994). In einem breiten Gürtel zwischen Glinde und Büchen<br />
führte dies zu einer insgesamt ruhigeren und ausgeglicheneren Landschaft mit Höhen<br />
um 40 m NN. Diese wird im Süden durch einen saaleeiszeitlichen Endmoränenzug<br />
zwischen Bergedorf und Lauenburg begrenzt, <strong>der</strong> bei Geesthacht eine Höhe von<br />
90 m NN besitzt (AGSTER, 1996). Der steile Abfall zum Urstromtal <strong>der</strong> Elbe bildet in<br />
diesem Gebiet eine deutliche Geländestufe aus. Die Ackerzahlen liegen zwischen 26<br />
und 45 (HINGST, 1970). Die unterschiedlichen Substrattypen <strong>der</strong> Hohen Geest erzeugen<br />
ein kontrastreiches Bodenmosaik, wobei Podsolböden aller Entwicklungsstufen<br />
vorherrschen. Auf versandeten Geschiebelehmen o<strong>der</strong> verlehmten Decksanden entwickelten<br />
sich podsolierte Braunerden, Parabraunerden-Podsole bzw. Braunerden-<br />
Podsole.<br />
In den beiden Landschaftseinheiten dominiert landwirtschaftliche Nutzung. Im Östlichen<br />
Hügelland werden primär Winterweizen und Winterraps angebaut, während auf<br />
<strong>der</strong> Hohen Geest Mais, Roggen und Gerste den Hauptanteil <strong>der</strong> Ackerfrüchte bildet<br />
(SCHLESWIG-HOLSTEIN, 1999b).<br />
Hydrologie und Hydrogeologie<br />
Das heutige Gewässernetz wurde im wesentlichen während <strong>der</strong> letzten Eiszeit, vor<br />
allem im Weichselspätglazial, angelegt. Die Flußverläufe zeichnen in weiten Bereichen<br />
den Verlauf <strong>der</strong> damaligen Schmelzwasserabflüsse nach, <strong>der</strong>en Hauptentwässerungrichtung<br />
südwärts ins Elbe-Urstromtal gerichtet war. Stecknitz und Bille fließen<br />
in die Elbe. Innerhalb des Untersuchungsgebietes ist die Bille wichtigster Vorfuter.<br />
Mit den ihr zufließenden Gewässern Mühlenbach, Schiebenitz, Schwarze Aue entwässert<br />
sie etwa ein Viertel des Untersuchungsgebietes. Im Norden des Untersuchungsgebietes<br />
ist die Hauptabflußrichtung durch den Abstrom <strong>der</strong> Trave in die Ostsee<br />
gekennzeichnet. Sie stellt gleichzeitig den Hauptvorfluter im nördlichen Teil des<br />
Untersuchungsraumes dar. Seitenzuflüsse wie die Beste bzw. Nor<strong>der</strong>beste und Barnitz<br />
entwässern in die Trave. Im Westen münden die Flüße in Alster o<strong>der</strong> Wandse.<br />
Der Elbe-Lübeck-Kanal entwässert den östlichen Teil des Untersuchungsgebietes<br />
und wird von <strong>der</strong> Linau, Grienau, Steinau und dem Priesterbach angeströmt.<br />
Die Elbenie<strong>der</strong>ung sowie das Stecknitz-, Alster- und Bestetal stellen, in bezug auf<br />
grundwasserhydraulische Verhältnisse, Druckentlastungszonen dar (OTTO, 1997).<br />
Aus diesem Grunde werden diese Gebiete auch aus den pleistozänen und tertiären<br />
Grundwasserleitern angeströmt.<br />
Für die Trinkwasserversorgung werden die Grundwasserleiter <strong>der</strong> mio- und pliozänen<br />
Schichtenfolgen des Jungtertiärs sowie pleistozäne Ablagerungen genutzt. Die<br />
pliozänen Kaolinsande und die miozänen Braunkohlesande (BKS) bestehen aus<br />
unterschiedlich mächtigen Fluß- und Deltafaziesablagerungen, die sich infolge <strong>der</strong><br />
5
6<br />
Regression <strong>der</strong> Tertiärmeere ausgebildet haben . Neben den pleistozänen Sanden<br />
sind sie die wichtigsten Grundwasserleiter Schleswig-Holsteins (JOHANNSEN, 1980).<br />
Die pleistozänen Grundwasserleiter sind geprägt durch ihre häufig rasch wechselnde<br />
Sedimentfolge und ihre heterogene Struktur. Ihre Mächtigkeit schwankt von wenigen<br />
Metern bis zu 200 m im Bereich pleistozäner Rinnen. Insbeson<strong>der</strong>e diese Rinnen<br />
stellen ergiebige Grundwasserför<strong>der</strong>horizonte dar (BOKELMANN, 1997). Im mittleren<br />
Teil des Untersuchungsgebietes ist die hydraulische Barriere (Hamburger Ton o<strong>der</strong><br />
<strong>der</strong> obere Glimmerton) zwischen tertiärem und pleistozänen Grundwasserleitern partiell,<br />
im Süden teilweise vollständig, ausgeräumt. In diesen Bereichen kann es zu hydraulischen<br />
Kontakten kommen.<br />
Klima<br />
Das Klima in Schleswig-Holstein wird durch das Azorenhoch und das Islandtief bestimmt.<br />
Durch diese relativ stabilen Luftdruckwirbel herrschen Westwinde mit advektiven<br />
Wetterlagen vor, die beson<strong>der</strong>s in Westküstennähe zu hohen Nie<strong>der</strong>schlägen<br />
führen. Das Klima ist als gemäßigt feucht-ozeanisch zu beschreiben (RIEDEL, 1987).<br />
Die Jahresmitteltemperatur liegt bei 8,3 °C, <strong>der</strong> mittlere unkorrigierte Jahresnie<strong>der</strong>schlag<br />
beträgt 763 mm/a. Die Nie<strong>der</strong>schlagsmenge verteilt sich nicht gleichmäßig<br />
über das Land. Die mittlere Jahresnie<strong>der</strong>schlagsmenge auf <strong>der</strong> Insel Fehmarn liegt<br />
bei nur 550 mm/a und auf <strong>der</strong> Schleswiger Geest bei 825 mm/a. Die mittlere Verdunstung<br />
beträgt im Jahr ca. 460 mm (MINISTERIUM FÜR UMWELT, 1998). Die Jahreswerte<br />
<strong>der</strong> klimatischen Wasserbilanz sind, außer in extremen Trockenjahren, positiv.
2 Stand <strong>der</strong> Forschung<br />
2.1 Wasserhaushalt und seine Elemente<br />
Der Wasserhaushalt beschreibt bilanzierend den Wasserkreislauf in einem Betrachtungsraum<br />
(MÜLLER, 1999). Der Wasserkreislauf ist eine Folge <strong>der</strong> ständigen Zustands-<br />
und Ortsverän<strong>der</strong>ungen des Wassers in Form von Nie<strong>der</strong>schlag, Abfluß und<br />
Verdunstung (DIN 4049, 1996). Die Wasserhaushaltsglie<strong>der</strong> und die dazugehörigen<br />
Prozesse sind in Abbildung 3 schematisch dargestellt.<br />
Evapotranspiration<br />
Interzeption<br />
Pflanzen<br />
Evaporation<br />
Wasseraufnahme<br />
Der Wasserhaushalt<br />
Nie<strong>der</strong>schlag<br />
Muldenverluste Benetzungsverluste<br />
Bodenoberfläche<br />
kapill. Aufstieg<br />
Infiltration<br />
ungesättigte<br />
Bodenzone<br />
Abbildung 3: Einflußgrößen auf die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>.Qo = Oberflächenabfluß,<br />
Qi = Zwischenabfluß, Qb = Basisabfluß<br />
Der Nie<strong>der</strong>schlag fällt entwe<strong>der</strong> auf Pflanzen, auf die Erdoberfläche o<strong>der</strong> in Gewässer.<br />
Von dort verdunstet ein Teil des Nie<strong>der</strong>schlages direkt. An<strong>der</strong>e Anteile bilden<br />
den Oberflächenabfluß o<strong>der</strong> versickern. Die versickerten Wassermengen werden<br />
innerhalb <strong>der</strong> ungesättigten Bodenzone von den Pflanzen aufgenommen, fließen<br />
oberflächennah als Zwischenabfluß ab o<strong>der</strong> erreichen den Grundwasserraum<br />
(WOHLRAB ET AL., 1992). Dieser Prozeß beschreibt die Grundwasserneubildung aus<br />
infiltriertem Nie<strong>der</strong>schlag. Im folgenden werden die einzelnen Wasserhaushaltskomponenten<br />
vorgestellt.<br />
Qi<br />
Qo<br />
kapill. Aufstieg<br />
GrundwasserneubildungQb<br />
Influenz<br />
Aquifer<br />
Gewässer<br />
Evaporation<br />
7
8<br />
2.1.1 Nie<strong>der</strong>schlag<br />
Zum Nie<strong>der</strong>schlag zählen alle Kondensationsprodukte, die aus <strong>der</strong> Atmosphäre zum<br />
Boden gelangen. Man unterscheidet folgende Nie<strong>der</strong>schlagsarten:<br />
- fallen<strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlag: Regen, Schnee, Hagel, Graupel und an<strong>der</strong>e Nie<strong>der</strong>schläge<br />
in Form von Eispartikeln<br />
- abgesetzte Nie<strong>der</strong>schlag: Tau, Reif und Nebelnie<strong>der</strong>schläge<br />
- abgelagerte Nie<strong>der</strong>schlag: Schneedecke, Eisablagerungen<br />
- aufgewirbelte Nie<strong>der</strong>schlag: Schneefegen, Schneetreiben (windbedingte Umlagerung<br />
von zunächst abgelagerten Schnee<br />
Die größte mengenmäßige Bedeutung haben die fallenden Nie<strong>der</strong>schläge, zuvor<strong>der</strong>st<br />
Regen und an zweiter Stelle <strong>der</strong> Schnee (ERNSTBERGER, 1987).<br />
Je nach dem Flächenbezug des betrachteten Nie<strong>der</strong>schlages unterscheidet man<br />
zwischen dem punktmäßig gemessenen Nie<strong>der</strong>schlag (Punkt- o<strong>der</strong> Stationsnie<strong>der</strong>schlag)<br />
und dem auf die Fläche bezogenen Gebietsnie<strong>der</strong>schlag. Bei Wasserhaushaltsbetrachtungen<br />
stellt <strong>der</strong> Gebietsnie<strong>der</strong>schlag die entscheidende Systeminputgröße<br />
dar. Die <strong>Ermittlung</strong> des Gebietsnie<strong>der</strong>schlages erfolgt durch die Regionalisierung<br />
<strong>der</strong> punktuell gemessenen Nie<strong>der</strong>schlagshöhen.<br />
Als Nie<strong>der</strong>schlagsmesser dienen kreisrunde zylindrische Gefäße mit unterschiedlich<br />
großen Auffangfläche. Diese werden in verschiedenen Höhen über <strong>der</strong> Erdoberfläche<br />
angeordnet. Innerhalb <strong>der</strong> einzelnen meteorologischen Netze werden einheitliche<br />
Regenmessertypen verwendet, um eine Vergleichbarkeit <strong>der</strong> Daten zu gewährleisten.<br />
Beim Deutschem Wetterdienst (DWD) wird als Standardverfahren zur Bestimmung<br />
<strong>der</strong> punktuellen Nie<strong>der</strong>schlagshöhe <strong>der</strong> Regenmesser nach Hellmann eingesetzt.<br />
Er besitzt eine Auffangfläche von 200 cm 2 und wird 1 m über Erdoberfläche<br />
angeordnet (MANIAK, 1998).<br />
Die punktuelle Messung des fallenden Nie<strong>der</strong>schlages ist mit teils unüberwindlichen<br />
Schwierigkeiten und Fehlern verbunden (RAPP & SCHÖNWIESE, 1996), da es zu<br />
sythematischen Meßfehlern, gegenüber den auf <strong>der</strong> Geländeoberfläche auftreffenden<br />
Nie<strong>der</strong>schlagsarten, kommt (GRUNSKE, 1975; LÜTZKE, 1965). Diese führen in <strong>der</strong><br />
Regel zu einer Unterschätzung <strong>der</strong> gefallenen Nie<strong>der</strong>schlagsmengen. Experimentelle<br />
Untersuchungen mit wechseln<strong>der</strong> Höhenanordnung des Meßgerätes ergaben, daß<br />
die verbreiteten Standardgeräte nur 50 bis 95 % des wahren Nie<strong>der</strong>schlages messen<br />
(SEVRUK, 1994). Wesentliche Ursachen ist die Verwehung von Nie<strong>der</strong>schlagsanteilen<br />
über das Auffanggefäß hinaus. Mit wachsen<strong>der</strong> Windexposition nimmt <strong>der</strong> Fehlbetrag<br />
zu, so daß im offenen Gelände größere Meßfehler zu erwarten sind, als in bebauten<br />
und vegetationsreichen Gebieten (SEVRUK & NESPOR, 1994). LEGATES (1993)
stellte fest, daß bei starkem Wind durchschnittlich 20% des tatsächlich gefallenen<br />
Nie<strong>der</strong>schlages von einer Hellmann-Apparatur nicht aufgenommen wird. Bei<br />
Schneefall können die Verluste zum teil sogar mehr als 50 % betragen (SEVRUK,<br />
1994). Neben dem dominierenden Windeinfluß (Herauswehen durch Turbulenz und<br />
Wirbelbildung) können <strong>der</strong> Aufbau und die Eigenschaften des Meßinstrumentes<br />
(Maße, Installationshöhe, Form, Farbe, Material, Alter, Isolation) sowie eventuell auftretende<br />
Gerätefehler (Herausspritzen, Verdunstung, Kondensation, Benetzung, Lekke)<br />
sowie Beobachterfehler (Ablesung) die Meßwerte zusätzlich beeinflussen. Dies<br />
stellt den Sinn <strong>der</strong> Angabe eines Absolutwertes in Frage.<br />
Obwohl die Problematik <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsmessungen seit langem diskutiert wird<br />
(GOLF, 1982; GOLUBEV, 1980; GRAF, 1984; KARBAUM, 1970; RICHTER, 1995), beziehen<br />
die meisten Verfahren zur Berechnung <strong>der</strong> Grundwasserneubildung unkorrigierte<br />
Nie<strong>der</strong>schlagswerte ein. Grund hierfür ist vor allem, daß die Nie<strong>der</strong>schlagskorrektur<br />
zwar möglich, aber aufgrund fehlen<strong>der</strong> Informationen über die Stationslage sehr aufwendig<br />
ist. Erst <strong>der</strong> Ansatz von Richter (1995), <strong>der</strong> die Einteilung von Regionen mit<br />
einheitlichen Nie<strong>der</strong>schlagsmeßfehlern vorschlägt, bietet einen handhabbaren Lösungsansatz.<br />
RICHTER (1995) weist für Deutschland Windfehler in <strong>der</strong> Größenordnung von ca. 2 bis<br />
35 % und Benetzungs- und Verdunstungsfehler von 3 bis 8 % nach, wobei die Höhe<br />
des Meßfehlers abhängig von <strong>der</strong> Jahreszeit und <strong>der</strong> Stationslage ist. Im Winter<br />
überwiegen bei weitem die Windfehler, im Sommer dagegen die Benetzungs- und<br />
Verdunstungsfehler. Für das Norddeutsche Tiefland gibt RICHTER (1995) die, in <strong>der</strong><br />
Tabelle 1 aufgeführten, mittleren monatlichen Nie<strong>der</strong>schlagsmeßfehler an.<br />
Tabelle 1: Jahresgang des mittleren prozentualen Nie<strong>der</strong>schlagsmeßfehlers für Schleswig-Holstein,<br />
a = frei, b = leicht geschützt, c = mäßig geschützt, d = stark geschützt;<br />
nach RICHTER (1995)<br />
Stationslage<br />
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sept Okt Nov Dez Jahr<br />
a 22,8 23,6 20,0 16,0 12,0 10,3 10,5 10,3 11,5 13,6 16,2 18,9 14,9<br />
b 17,3 17,9 15,5 13,6 10,8 9,2 9,4 9,3 10,2 11,2 12,9 14,6 12,3<br />
c 13,4 13,7 12,6 11,6 9,8 8,4 8,5 8,4 9,1 9,7 10,6 11,6 10,4<br />
d 9,5 9,6 9,4 9,4 8,5 7,3 7,5 7,3 7,8 7,8 8,0 8,4 8,2<br />
Die Korrektur des systematischen Meßfehlers <strong>der</strong> Hellmann-Apparatur wird in<br />
Deutschland i.R. vom DWD vorgenommen und erfolgt auf <strong>der</strong> Grundlage von Untersuchungen<br />
von RICHTER (1995), nach <strong>der</strong> Beziehung:<br />
Nkor = N+∆N mit N = Meßwert des Hellmannmeßgerätes ∆N = bN ∈<br />
9
10<br />
Durch die Koeffizienten b und ∈ wird <strong>der</strong> Einfluß <strong>der</strong> Windexposition <strong>der</strong> Meßstelle<br />
und die Nie<strong>der</strong>schlagsart (fest, flüssig, Mischnie<strong>der</strong>schlag) <strong>der</strong> Meßwerte berücksichtigt.<br />
2.1.2 Evapotranspiration<br />
Die Evapotranspiration als physikalischer Prozeß beschreibt den Übergang von<br />
Wasser aus dem flüssigen o<strong>der</strong> festen Zustand in den gasförmigen Zustand durch<br />
die Verdunstung von <strong>der</strong> Bodenoberfläche und die Transpiration von Pflanzen<br />
(DVWK, 1996). Die potentielle Evapotranspiration gibt die, unter gegebenen klimatischen<br />
Bedingungen, maximal mögliche Verdunstung an. Sie entspricht etwa <strong>der</strong><br />
Verdunstung einer freien Wasseroberfläche. Die Bestimmung <strong>der</strong> potentiellen<br />
Evapotranspiration kann mittels unterschiedlichster Verfahren erfolgen. Die direkte<br />
Messung <strong>der</strong> Verdunstung erfolgt über Verdunstungswaage, Verdunstungswanne<br />
o<strong>der</strong> mit Hilfe wägbarer Lysimeter. Diese Verfahren sind, genau wie die indirekte Bestimmung<br />
<strong>der</strong> Evaporation über Bodenfeuchtebestimmung, sehr aufwendig. (vgl. Abbildung<br />
4).<br />
Boden:<br />
Substrat, Lagerungsdichte<br />
Durchwurzelungstiefe<br />
aktuelle Feuchte<br />
Relief, Exposition<br />
Messung an Verdunstungskörpern:<br />
Piche-Evaporimeter<br />
Czeratzki-Scheibe<br />
CLASS-A-PAN<br />
Messung an Pflanzen am Standort:<br />
Einzelbalttuntersuchungen<br />
Aerodynamische Profilmethode<br />
Energiebilanzmethode<br />
Klima:<br />
Sonneneinstrahlung, Windbewegung<br />
Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit<br />
Evapotranspiration<br />
Direkte Meßverfahren Indirekte Meßverfahren<br />
Abbildung 4: Evapotranspiration: Einflüsse und Meßverfahren<br />
Bodenfeuchtebestimmung:<br />
Neutronensonden,Gravimetrie,Tensiometern,<br />
Lysimetern<br />
Meteorologische, empirische Formeln:<br />
z.B.: Thornthwaite, Haude, Penman, Rijtema,<br />
Penman-Montheith, Blaney Criddle, Turc etc.<br />
Kombinierte Verfahren:<br />
Haude-Bodenwasserhaushalt<br />
Vegetation:<br />
Art, Entwicklung,<br />
Vegetationszeitpunkt,<br />
Wasserversorgung,<br />
Vergesellschaftung
Empirisch entwickelte Formeln ermöglichen die Berechnung <strong>der</strong> potentiellen<br />
Evapotranspiration anhand von Klimafaktoren. Die große Rolle, die die Verdunstung<br />
in <strong>der</strong> Hydrologie, Meteorologie, Wasser und Landwirtschaft einnimmt, äußert sich in<br />
den zahlreichen monographischen Abhandlungen (BRUTSAERT, 1984; DVWK, 1996;<br />
RIJETMA, 1965; SCHMUGGE & ANDRE, 1991; SCHRÖDTER, 1985). Die Vielzahl an empirischen<br />
Formeln gibt einen Hinweis auf die komplexen Zusammenhänge des<br />
Evapotranspirationsprozesses und die Problematik <strong>der</strong> Evapotranspirationsberechnung.<br />
Neue Ansätze zur <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> Evapotranspiration werden von YANG &<br />
MELVILLE (1997) beschrieben, die eine Methode zur Berechnung <strong>der</strong> Evapotranspiration<br />
durch die Auswertung von Landsat-TM-Daten erprobten. Im folgenden werden,<br />
neben einer Kurzbeschreibung <strong>der</strong> Penmann-Methode, die Berechnungsansätze<br />
vorgestellt, die in den von uns angewandten Verfahren zur Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> berücksichtigt werden.<br />
Verdunstung von Wasserflächen<br />
Die umfassendste Formel zur Berechnung <strong>der</strong> potentiellen Evapotranspiration freier<br />
Wasserflächen stellte PENMAN (1956) unter Berücksichtigung aller wesentlichen meteorologischen<br />
Faktoren auf. In die Formel von Penman gehen folgende Faktoren<br />
ein: Tagesmittel <strong>der</strong> Lufttemperatur, Tagesmittel <strong>der</strong> relativen Luftfeuchte, Tagessumme<br />
<strong>der</strong> Globalstrahlung, tatsächliche Sonnenscheindauer, Tagesmittel <strong>der</strong><br />
Windgeschwindigkeit in zwei Meter Höhe, Sättigungsdampfdruck des Wassers beim<br />
Tagesmittel <strong>der</strong> Lufttemperatur, Steigung des Sättigungsdampfdruckes beim Tagesmittel<br />
<strong>der</strong> Lufttemperatur, Albedo-Wert und theoretisch mögliche Sonnenscheindauer.<br />
Die Anwendungsmöglichkeit dieser Formel wird dadurch eingeschränkt, daß viele<br />
dieser meteorologischen Faktoren nicht an allen Klimastationen erhoben werden. Die<br />
Penman Formel wurde von MONTEITH (1965) für die Berechnung <strong>der</strong> Evapotranspiration<br />
von Nutzflächen mit Bestandsfaktoren erweitert. Die Berechnung <strong>der</strong><br />
Evapotranspirationshöhe mittels <strong>der</strong> Penman-Monteith-Beziehungen zeigt eine sehr<br />
hohe Übereinstimmung mit tatsächlich gemessenen Werten und wird weltweit angewandt<br />
(ABTEW & OBEYSEKERA, 1995; DVWK, 1996; FENNESSEY & VOGEL, 1996). So<br />
testet <strong>der</strong> DWD zur Zeit die Routineanwendung des Programmes AMBETI, welches<br />
auf <strong>der</strong> Penman-Monteith-Beziehung beruht (BRADEN, 1995). Das Meteorological Office<br />
in Großbritannien setzt seit Jahren das Penman-Monteith-Verfahren erfolgreich<br />
ein.<br />
Potentielle Evapotranspiration von Landflächen<br />
Die einfacheren empirisch-statistischen Methoden zur Berechnung <strong>der</strong> potentiellen<br />
Verdunstung von Landflächen sind meist über den Zusammenhang zwischen meteorologischen<br />
Messungen und Bodenfeuchte- o<strong>der</strong> Evaporimetermessungen entwickelt<br />
worden. Berücksichtigt werden ein bis zwei meteorologische Größen. Dies hat den<br />
Vorteil, daß die notwendigen Eingangsdaten an den meisten Wetterstationen abrufbar<br />
sind bzw. leicht aus Tabellen entnommen werden können. In <strong>der</strong> Praxis haben<br />
11
12<br />
sich u. a. die Verfahren von HAUDE (1954) UND Turc-Ivanov bewährt (DOMMERMUTH &<br />
TRAMPF, 1990).<br />
Verfahren nach HAUDE (1954)<br />
In Deutschland veröffentlichte zuerst Haude ein Verfahren zur Berechnung von Monatsummen<br />
<strong>der</strong> potentiellen Evapotranspiration. Das von HAUDE (1954) entwickelte<br />
Verfahren besitzt den Vorteil, daß zu seiner Anwendung nur die tägliche Lufttemperatur<br />
und relative Luftfeuchte notwendig sind. Die Formel lautet:<br />
ET<br />
P<br />
14<br />
pot<br />
=<br />
⎛ F14<br />
⎞<br />
= x ⋅P14⎜1−<br />
⎟<br />
⎝ 100 ⎠<br />
4,<br />
58⋅10<br />
7 , 45⋅t<br />
235+<br />
⋅t<br />
[ mm/<br />
d ]<br />
X= Monatskoeffizient<br />
P14= Sättigungsdampfdruck um 14 00 Uhr<br />
F14= relative Luftfeuchte um 14 00 Uhr (%)<br />
t = Lufttemperatur um 14 00 Uhr (°C)<br />
Die Monatskoeffizienten gelten nur für einen unbewachsenen Boden mit einem<br />
Grundwasserflurabstand von 40 cm. Da diese Voraussetzungen naturgemäß selten<br />
gegeben sind, berechnete SPONAGEL (1980) pflanzenspezifische Monatskoeffizienten.<br />
Hierdurch wird die Berechnung <strong>der</strong> landnutzungsabhängigen potentiellen<br />
Evapotranspiration ermöglicht. Die Berechnung <strong>der</strong> potentiellen Evapotranspiration<br />
nach Haude wird zusammen mit dem Nie<strong>der</strong>schlag als klimatische Wasserbilanz in<br />
Nie<strong>der</strong>sachsen und Schleswig-Holstein erfolgreich bei <strong>der</strong> Beregnungsberatung eingesetzt.<br />
Im Vergleich zu Lysimeterdaten liefert sie, bei <strong>der</strong> Betrachtung von Normaljahren,<br />
gute Übereinstimmungen. In Trockenjahren kann die errechnete potentielle<br />
Evapotranspiration um 30 % höher und in Naßjahren um 10 % nie<strong>der</strong>iger liegen<br />
(BEINHAUER, 1998). Insbeson<strong>der</strong>e an Tagen mit hoher Luftfeuchtigkeit o<strong>der</strong> in Küstengebieten<br />
kommt es zu einer Unterschätzung <strong>der</strong> potentiellen Evapotranspiration.<br />
Das Verfahren nach Turc (1961)<br />
Das empirische Verfahren von TURC (1961) wurde für Frankreich und Nordafrika<br />
entwickelt und besitzt nur Gültigkeit für positive Temperaturen. In die Berechnung<br />
geht neben <strong>der</strong> Lufttemperatur die Globalstrahlung in täglicher Auflösung ein:<br />
Et<br />
mit<br />
pot<br />
0,<br />
00311<br />
= ( G + 209)<br />
×<br />
t + 15<br />
L<br />
Etpot = potentielle Verdunstungshöhe in mm/d<br />
G = Globalstrahlung<br />
tL = Lufttemperatur in °C, Tagesmittelwert
Das TURC-Verfahren liefert für Deutschland zu geringe Werte <strong>der</strong> ETpot, so daß eine<br />
Korrektur notwendig ist. Der Korrekturfaktor beträgt für die Jahressummen 1,1<br />
(DVWK, 1996). WENDLING (1984 ) beschreibt das Verfahren, als das beste Verfahren<br />
zur Abschätzung <strong>der</strong> potentiellen Evapotranspiration.<br />
Aufgrund <strong>der</strong> Gültigkeit <strong>der</strong> TURC-Formel für nur positive Temperaturen, versagt die<br />
Formel im Temperaturbereich unter 0°C und ist bei Lufttemperaturen, die nur knapp<br />
über dem Gefrierpunkt liegen, stärker fehleranfällig. Daher wird in <strong>der</strong> Praxis das<br />
Turc-Verfahren für die Monate November bis Dezember durch die modifizierte Ivanov-Formel<br />
ergänzt (WENDLING ET AL., 1984). In diesen Monaten bzw. in Monaten mit<br />
Lufttemperaturen unterhalb von 3°C gilt ersatzweise:<br />
ETpot = 0,<br />
0011×<br />
( 25+<br />
t L)<br />
2<br />
× ( 100 − U)<br />
mit Etpot = potentielle Verdunstungshöhe in mm/d<br />
tL = Lufttemperatur in °C, Tagesmittelwert<br />
U = relative Luftfeuchte in %, Tagesmittelwert<br />
Reale (tatsächliche) Evapotranspiration<br />
Bei <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> potentiellen Evapotranspiration wird davon ausgegangen,<br />
daß bei gegebenen meteorologischen Bedingungen unbegrenzt Wasser zur Verfügung<br />
steht. Im Gegensatz dazu wird bei <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> tatsächlichen Verdunstung<br />
eines Gebietes <strong>der</strong> tatsächliche Wasservorrat des Bodens sowie Art und Anteil<br />
<strong>der</strong> Flächennutzung berücksichtigt. Hierbei wird <strong>der</strong> Wasservorrat des Bodens durch<br />
die Speichereigenschaften des Bodensubstrates, durch den spezifischen Wasserbedarf<br />
<strong>der</strong> Bewuchsart sowie durch die Wie<strong>der</strong>auffüllung durch Nie<strong>der</strong>schläge beschrieben.<br />
Beispielhaft soll das vom DWD verwandte Programmpaket VEKOS vorgestellt<br />
werden.<br />
Die grundlegende Konzeption des Verdunstungskomponentensystems VEKOS wird<br />
bei KLÄMT (1988) beschrieben. Das Programm berücksichtigt bei <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong><br />
Verdunstungshöhe vegetationsbedeckter Flächen die Speichereigenschaften des<br />
Bodens, Bodenfeuchteausschöpfung <strong>der</strong> jeweiligen Bewuchsart und die Wie<strong>der</strong>auffüllung<br />
durch Nie<strong>der</strong>schläge. Die vegetationsspezifische Faktoren gehen nur für den<br />
Zeitraum <strong>der</strong> Vegetationsperiode März bis Oktober in das Modell ein. Im Zeitraum<br />
November bis Februar erfolgt im Modell keine nach Bewuchs differenzierte Berechnung<br />
<strong>der</strong> Verdunstungshöhen <strong>der</strong> Landoberfläche. Für die Wintermonate wird davon<br />
ausgegangen, daß die Evapotranspirationhöhe im wesentlichen durch die meteorologischen<br />
Verhältnissen bestimmt wird. Diese wird in dem Programm durch das<br />
Verfahren nach Turc-Ivanov ermittelt.<br />
13
14<br />
2.1.3 Abfluß<br />
Der Abfluß ist in <strong>der</strong> DIN 4049 (1994) allgemein und quantitativ definiert. Allgemein<br />
ist er „unter dem Einfluß <strong>der</strong> Schwerkraft auf und unter <strong>der</strong> Landoberfläche sich bewegendes<br />
Wasser“. Quantitativ handelt es sich um ein Wasservolumen, das pro<br />
Zeiteinheit einen gewissen Fließquerschnitt durchfließt und einem Einzugsgebiet zuzuordnen<br />
ist. Hierbei ist zu beachten, daß <strong>der</strong> allgemein definierte Abfluß nicht zu<br />
dem quantitativ definiertem führen muß, da er wie<strong>der</strong>um verdunsten kann. Nach <strong>der</strong><br />
Wasserhaushaltsgleichung ist <strong>der</strong> Abfluß <strong>der</strong> Teil des Nie<strong>der</strong>schlages, <strong>der</strong> nicht verdunstet<br />
ist. Der Abfluß wird von einer Reihe unterschiedlicher Faktoren gesteuert. In<br />
<strong>der</strong> Abbildung 5 sind wichtige Einflußgrößen schematisch in ihrem Bezug zum Abfluß<br />
dargestellt.<br />
Nie<strong>der</strong>schlag Verdunstung<br />
Form<br />
Relief<br />
Klima<br />
Abfluß<br />
Einzugsgebiet<br />
Landnutzung<br />
Abbildung 5: Der Abfluß in Bezug zu wichtigen Einflußgrößen<br />
Boden<br />
Der Nie<strong>der</strong>schlag nimmt Einfluß durch seine Form (Regen, Schnee usw.), Typ, Intensität,<br />
Dauer, zeitliche und räumliche Verteilung, Häufigkeit und Bewegungsrichtung<br />
des Nie<strong>der</strong>schlagfeldes (DYCK, 1978). Die Höhe <strong>der</strong> Verdunstung bestimmt neben<br />
dem Nie<strong>der</strong>schlag die Abflußhöhe. Der Boden steht mit dem Abfluß und dem<br />
Nie<strong>der</strong>schlag über die eventuelle Verschlämmungsneigung in Wechselbeziehung.<br />
Form und Relief des Einzugsgebietes bestimmen die Zeit, die dem Oberflächenabfluß<br />
zur Versickerung bzw. zur Verdunstung „zur Verfügung steht“. Der Boden wirkt<br />
sich einerseits über seine Infiltrationskapazität, an<strong>der</strong>erseits durch seine Eigenschaft,<br />
Wasser zu speichern und dieses <strong>der</strong> Verdunstung zuzuführen, aus. Einen starken<br />
Einfluß auf die Entstehung und Art des Abflusses hat die Landnutzung. Auf die Prozesse<br />
<strong>der</strong> Einflußnahme wird bei <strong>der</strong> Beschreibung <strong>der</strong> unterschiedlichen Abflußformen<br />
näher eingegangen.
Abflußbildung- und Abflußprozesse<br />
Der Prozeß <strong>der</strong> Abflußbildung beinhaltet die im und auf dem Boden zum Abfluß gelangenden<br />
Anteile des Nie<strong>der</strong>schlages, die als effektiver Gebietsnie<strong>der</strong>schlag den<br />
Erdboden erreichen. Die Teilprozesse, die die Abflußbildung steuern, sind in <strong>der</strong><br />
linken Hälfte <strong>der</strong> Abbildung 6 dargestellt. Die Ergebnisse <strong>der</strong> Abflußbildung führen<br />
über die unterschiedlichen Formen des Abflusses (über die Abflußkonzentration) bis<br />
zum Abfluß im offenen Gerinne und ergeben zusammen den Abflußprozeß.<br />
Abbildung 6 : Schematische Darstellung des Abflußprozesses (aus BAUMGARTNER & L IEBSCHER, 1996)<br />
Abhängig von <strong>der</strong> Reaktionszeit zwischen einem Nie<strong>der</strong>schlagsereignis und <strong>der</strong> Reaktion<br />
des Fließgewässers können drei Arten <strong>der</strong> Speisung unterschieden werden,<br />
denen wie<strong>der</strong>um Abflußarten unterschiedlicher Entstehungsorte zugeordnet werden<br />
können (JELINEK, 1999a).<br />
Direktspeisung<br />
Landoberflächenabfluß (Horton-Abfluß)<br />
Sättigungsabfluß (an <strong>der</strong> Bodenoberfläche)<br />
Regenentwässerung (versiegelte Flächen)<br />
Zufluß aus Gräben und Drainagen<br />
Grundwasserimpuls<br />
15
16<br />
Verzögerte Speisung<br />
Zufluß aus Gräben und Drainagen<br />
Zwischenabfluß (Interflow)<br />
Schneller Grundwasserabfluß<br />
Überflutung<br />
Basisspeisung<br />
Grundwasserabfluß<br />
Abwassereinleitung<br />
Der an einem Pegel gemessene Abfluß besteht aus einer Kombination <strong>der</strong> o.g. Abflußprozesse,<br />
die sich gegenseitig überlagern können. So kann z.B. Oberflächenabfluß<br />
aus größerer Entfernung zum Vorfluter zeitgleich mit Interflow aus <strong>der</strong> nahen<br />
Umgebung, als Antwort auf ein Nie<strong>der</strong>schlagsereignis, gemessen werden.<br />
In <strong>der</strong> Literatur sind zahlreiche Verfahren zur Separation <strong>der</strong> Abflußkomponenten aus<br />
einer Abflußganglinie o<strong>der</strong> aus statistischen hydrologischen Daten beschrieben<br />
(DYCK, 1978; KILLE, 1970; LILLICH, 1970; MENDEL & UBELL, 1973A; MENDEL & UBELL,<br />
1973B; NATERMANN, 1958; WUNDT, 1968). Im folgenden werden Arten des Abflusses<br />
nach ihren Entstehungsorten unterschieden und die Prozesse näher erläutert.<br />
Der Oberflächenabfluß<br />
Im wesentlichen führen zwei Mechanismen zu Oberflächenabfluß. Der Hortonsche<br />
Landoberflächenabfluß, in Folge <strong>der</strong> Überschreitung <strong>der</strong> Infiltrationskapazität eines<br />
Bodens, sowie <strong>der</strong> Sättigungsabfluß.<br />
Bei Infiltrationsmessungen stellte HORTON (1933) eine exponentielle Abnahme <strong>der</strong><br />
Infiltration des Nie<strong>der</strong>schlages im Boden mit <strong>der</strong> Zeit fest. Das Infiltrationsvermögen<br />
eines Bodens nimmt mit <strong>der</strong> Infiltrationsdauer ab, bis es einen konstanten Wert erreicht.<br />
Die Zeit, die bis zur Einstellung des stationären Zustandes vergeht sowie die<br />
sich dann einstellende Infiltrationshöhe <strong>der</strong> Infiltrationskapazität, ist von den Bodeneigenschaften<br />
abhängig. Beispiele von Infiltrationsuntersuchungen zeigen Unterschiede<br />
zwischen dem Infiltrationsvermögen zu Beginn <strong>der</strong> Messungen bis zum Einstellen<br />
<strong>der</strong> Stationarität vom Mehrfachen einer Zehnerpotenz (DYCK, 1978). Bei Infiltrationsuntersuchungen<br />
auf vorwiegend lehmigen Böden von SHARMA ET AL. (1980)<br />
wurde stets eine Gleichgewichtseinstellung in weniger als 60 Minuten erreicht. Wird<br />
die Infiltrationskapazität des Bodens im Verlauf o<strong>der</strong> bei <strong>der</strong> Gleichgewichtseinstellung<br />
überschritten, kommt es zu Oberflächenabfluß. In weiterführenden Untersuchungen,<br />
z.B. von THEILE (1972), wurde auf den Zusammenhang zwischen <strong>der</strong> Infiltrationskapazität<br />
und dem Bodenwasservorrat eingegangen.<br />
Durch die Verschlämmung des Bodens wird <strong>der</strong> Infiltrationsprozeß gehemmt. Der<br />
Regenschlag liefert sowohl die mechanische Energie zur Verringerung <strong>der</strong> Gefügestabilität,<br />
als auch das Wasser zum Transport abgelöster Partikel. Beides ermöglicht
die Verschlämmung eines Bodens. Dabei werden Aggregate aufgelöst und durch<br />
lokales Quellen bis hin zur Dispergierung in eine Suspension überführt. Diese Suspension<br />
sickert in den Untergrund und die Festpartikel werden dort abgefiltert. Dadurch<br />
wird die weitere Infiltration gehemmt. Als Folge davon wird <strong>der</strong> Wassergehalt<br />
in den oberen Bodenschichten weiter erhöht, was wie<strong>der</strong>um zu einer Destabilisierung<br />
des Gefüges führt. SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL (1992) sowie EINSELE & SCHULZ<br />
(1973) messen dieser Art des Oberflächenabflusses, durch Überschreitung des<br />
Infiltrationsvermögens, in den San<strong>der</strong>gebieten Schleswig-Holsteins nur eine geringe<br />
Bedeutung bei. Trotz des bedeutenden Anteils von Lehmböden sind die Voraussetzung<br />
<strong>der</strong> durchgehenden Fließwege bis zum Vorfluter und <strong>der</strong> notwendigen Starkregenereignisse<br />
nur selten verwirklicht. Insgesamt wurde dieser Prozeß für humide<br />
Gebiete in <strong>der</strong> Vergangenheit häufig überschätzt (BEVEN & WOOD, 1983; BONNEL,<br />
1993; PILGRIM, 1983). Eine bedeutende Rolle spielt er im ariden Bereich durch Oberflächenverkrustung,<br />
Vegetationsarmut und ausgetrocknete Böden (BAUMGARTNER &<br />
LIEBSCHER, 1996).<br />
Mengenmäßig bedeuten<strong>der</strong> ist im humiden Bereich <strong>der</strong> Oberflächenabfluß von Flächen,<br />
<strong>der</strong>en Infiltrationskapazität nahezu Null ist. Hierzu zählt u.a. <strong>der</strong> Sättigungsabfluß.<br />
Der Sättigungsabfluß findet auf grundwassernahen Standorten statt, <strong>der</strong>en Infiltrationskapazität<br />
aufgrund sehr geringer Flurabstände bereits auf ein Minimum reduziert<br />
ist. Nach Nie<strong>der</strong>schlagsereignissen kann oberflächennahes, lateral fließendes<br />
Grundwasser am Hangfuß gesättigte Flächen bilden. Teilweise führt dies bis zum<br />
Wie<strong>der</strong>austritt an <strong>der</strong> Oberfläche und bildet den sogenannten „return flow“<br />
(MUSGRAVE & HOLTAN, 1964). Da sich diese Gebiete in <strong>der</strong> Regel in <strong>der</strong> Nähe von<br />
Vorflutern befinden, ist <strong>der</strong> Fließweg zum selben kurz. Die Wahrscheinlichkeit einer<br />
Unterbrechung von Fließpfaden, z.B. durch abflußlose Senken, ist dadurch geringer.<br />
Anhand des Mechanismus des Sättigungsabflusses kann es auch in Flachland mit<br />
sandigen Böden zur Oberflächenabflußbildung kommen (GRUNSKE, 1975). Im humiden<br />
Bereich wird <strong>der</strong> Landoberflächenabfluß zum überwiegenden Teil aus dem Sättigungsabfluß<br />
gebildet. Neben den gesättigten Flächen bilden gefrorene Böden,<br />
Wasserflächen und versiegelte Flächen Bereiche mit einer Infiltrationskapazität nahe<br />
o<strong>der</strong> gleich Null. Einschränkend ist zu bemerken, daß nur vollständig, bündig versiegelte<br />
Flächen eine Infiltration verhin<strong>der</strong>n. Bei Untersuchungen im Berliner Stadtgebiet<br />
stellte GLUGLA ET AL. (1999) fest, daß versiegelten Flächen Infiltration in beträchtlicher<br />
Höhe zulassen. Die Grundwasserneubildung unter diesen Flächen ist zum Teil<br />
höher als auf unversiegelten Flächen. Der erhöhte Oberflächenabfluß wird von einer<br />
geringeren Verdunstung kompensiert.<br />
Der hypo<strong>der</strong>mische Abfluß (Zwischenabfluß)<br />
Der Begriff hypo<strong>der</strong>mischer Abfluß steht für oberflächennahe, laterale Fließvorgänge<br />
im Boden. Er beschreibt somit den physikalischen Prozeß <strong>der</strong> Wasserbewegung in<br />
<strong>der</strong> ungesättigten Bodenzone. Der Zwischenabfluß entspricht, den sich bei <strong>der</strong><br />
17
18<br />
Ganglinienseparation ergebenden, Anteil des Direktabflusses. Er tritt verzögert auf<br />
und geht vermutlich aus den o.g. Prozessen hervor.<br />
Hypo<strong>der</strong>mischer Abfluß entsteht bei einem anisotropen Aufbau des Bodens mit einer<br />
Verringerung <strong>der</strong> hydraulischen Leitfähigkeit in <strong>der</strong> Tiefe. Trifft das Sickerwasser auf<br />
eine schlechter durchlässige Schicht, bewegt sich ein Teil des Wassers parallel zu<br />
dieser in Richtung des stärksten Gefälles (JACKSON, 1992; JACKSON, 1993;<br />
PHILIP, 1993). Dies tritt hauptsächlich auf, wenn sich ein skelettreicher Boden über<br />
schlecht durchlässigen Schichten befindet (BAUMGARTNER & LIEBSCHER 1996).<br />
Eine wichtige Rolle beim hypo<strong>der</strong>mischen Abfluß kann <strong>der</strong> Makroporenfluß spielen<br />
(MCDONNEL, 1990). Ein System von verbundenen, vertikalen und horizontalen Makroporen<br />
begünstigt den hypo<strong>der</strong>mischen Abfluß (BRONSTERT, 1994). Der hypo<strong>der</strong>mische<br />
Abfluß im Makroporensystem ist im Fließgewässer schneller nach einem<br />
Nie<strong>der</strong>schlagereignis zu registrieren, als <strong>der</strong> aus dem Matrixfluß (KOFALK, 1998). Der<br />
Zwischenabfluß kann entwe<strong>der</strong> wie<strong>der</strong> an <strong>der</strong> Bodenoberfläche austreten (return<br />
flow) und als Oberflächenabfluß weiter fließen, o<strong>der</strong> er gelangt unterirdisch bis in den<br />
Bereich des Vorfluters (RICHTER & LILLICH, 1975).<br />
Der Basisabfluß<br />
Der Basisabfluß ist <strong>der</strong> Teil des Abflusses, <strong>der</strong> mit großer Verzögerung und stark gedämpft,<br />
die Reaktion auf Nie<strong>der</strong>schlag im Vorfluter bildet. Er wird in <strong>der</strong> Hauptsache<br />
aus Nie<strong>der</strong>schlägen gebildet, die in den Boden versickern, die ungesättigte Zone<br />
durchsickern und als Grundwasserabstrom in den Vorfluter exfiltrieren. Der Reibungswi<strong>der</strong>standes<br />
im Grundwasserleiter bewirkt eine verzögerte Speisung des Vorfluters.<br />
Dieser Prozeß wird durch das Darcy Gesetz beschrieben. Die Speisung eines<br />
Vorfluters, über den Grundwasserpfad mit einer sehr schnellen Reaktion auf ein Nie<strong>der</strong>schlagsereignis,<br />
ist beson<strong>der</strong>s in Einzugsgebieten im Tiefland bedeutend. Dort<br />
führen Nie<strong>der</strong>schläge zu einer kurzfristigen Erhöhung <strong>der</strong> Piezometerstände. Über<br />
eine Druckübertragung im gesättigten Bereich kommt es zu einer Direktspeisung <strong>der</strong><br />
Vorfluter (JELINEK, 1999b).<br />
Im Tiefland ist bei <strong>der</strong> <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> Basisabflußspenden mit großen Fehlern zu<br />
rechnen, wenn das oberirdische Einzugsgebiet als Berechnungsgrundlage herangezogen<br />
wird. Eine Überprüfung <strong>der</strong> Übereinstimmung <strong>der</strong> Flächengröße von unterirdischem<br />
und oberirdischem Einzugsgebiet ist über die Wasserhaushaltsgleichung<br />
möglich, da die Differenz von Nie<strong>der</strong>schlag und Verdunstung durch den Abfluß gebildet<br />
wird (BAUMANN ET AL., 1970). Bei anthropogener Nutzung des Gewässers können<br />
auch eingeleitete Klarwässer zum Teil den Basisabfluß eines Vorfluters bilden.
2.2 Grundwasserneubildung<br />
Nach DIN 4049 Teil 3 bezeichnet <strong>der</strong> Begriff <strong>der</strong> Grundwasserneubildung den Zugang<br />
von infiltriertem Wasser durch den Sickerraum zum Grundwasser. Die Infiltration<br />
ist <strong>der</strong> Zugang von Wasser, u.a. aus dem Nie<strong>der</strong>schlag durch enge Hohlräume in<br />
den Erboden (ALBRECHT & GROSSMANN, 1995). Während die Infiltration an <strong>der</strong> Untergrenze<br />
des durchwurzelten Bodenraumes gemessen wird, findet die eigentliche<br />
Grundwasserneubildung an <strong>der</strong> Oberfläche des oberflächennahen Grundwasserkörpers<br />
statt (vgl. Abbildung 7).<br />
Abbildung 7 : Darstellung eines Grundwasserabschnittes (DIN 4049 Teil 3)<br />
Wie die Abbildung 7 verdeutlicht, trägt nicht nur die Infiltration von Nie<strong>der</strong>schlägen<br />
zur Grundwasserneubildung bei, son<strong>der</strong>n auch Beregnung, Einleitung und Influenz<br />
von Oberflächengewässern. Grundwasserneubildung findet nur im obersten Grundwasserstockwerk<br />
statt, da die Speisung von tieferen Stockwerken als Zusickerung<br />
definiert ist.<br />
In <strong>der</strong> Praxis wird <strong>der</strong> Begriff Grundwasserneubildung häufig sehr unscharf formuliert.<br />
Dies führte 1997 zu einer lebhaften Diskussion zwischen HÖLTING (1997a) und<br />
DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1997). HÖLTING (1997a) kritisierte den von KLAASSEN &<br />
SCHEELE (1996) verwandten Begriff <strong>der</strong> potentiellen Grundwasserneubildung. Er betont,<br />
daß die Berechnung <strong>der</strong> Grundwasserneubildung allein aus klimatischen Kennwerten<br />
und häufig nur indirekt bestimmten pedologischen Parametern kritisch zu<br />
19
20<br />
überprüfen ist. Ferner führt er auf, daß die Höhe <strong>der</strong> Grundwasserneubildung, sowohl<br />
im Festgestein als auch im Lockergestein, teils wesentlich von <strong>der</strong> Uferfiltration<br />
bestimmt wird. Dies wird durch Arbeiten von SCHNEIDER (1988) und SOMMER V.<br />
JARMERSTED (1992) bestätigt. HÖLTING (1997a) kommt zu dem Schluß, daß die beste<br />
Methode zur <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> die Auswertung <strong>der</strong> Trokkenwetterabflüsse<br />
ist. DÖRHOEFER & JOSOPAIT (1997) stimmen mit HÖLTING (1997a)<br />
dahingehend überein, daß Uferfiltration und auch Seihwasser Anteile an <strong>der</strong> Grundwasserneubildung<br />
haben. Sie sind jedoch <strong>der</strong> Meinung, daß die Grundwasserneubildung<br />
überwiegend als Folge <strong>der</strong> Infiltration und Durchsickerung aus Nie<strong>der</strong>schlag<br />
erfolgt. Ferner erläutern sie detailliert die Problematik <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
aus Abflußmessungen, die im folgenden noch geschil<strong>der</strong>t<br />
wird. HÖLTING (1997b) bestätigt in seiner Erwi<strong>der</strong>ung noch einmal, daß für die<br />
reginale <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> Grundwasserneubildung die differenzierte Messung von<br />
Trockenwetterabflüssen die geeignetste Methode ist.<br />
Im Rahmen dieser Arbeit wird <strong>der</strong> Begriff <strong>der</strong> Grundwasserneubildung ausschließlich<br />
für die Ergänzung des Grundwassers aus dem Nie<strong>der</strong>schlag verwandt.<br />
Influenzanteile, <strong>der</strong>en Abschätzung extrem problematisch sind (LERNER ET<br />
AL., 1990a), bleiben unberücksichtigt. Genau genommen wird bei vielen Verfahren<br />
sogar nur die Infiltration betrachtet, da während <strong>der</strong> Perkolation (Durchgang von<br />
Wasser durch den Sickerraum) noch Zwischenabfluß (Ai) auftreten kann (vgl. Abbildung<br />
8).<br />
Abbildung 8: Modellhafte Darstellung möglicher Grundwasserneubildungsvorgänge in humiden Bereichen.<br />
A) im Flachland B) in Gebieten mit hoher Reliefenergie C) in Bereichen mit Influenz
Die <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> stützt sich je nach <strong>der</strong> vorgegebenen<br />
Datenlage, den klimatologischen, morphologischen und geologischen Bedingungen<br />
auf unterschiedliche Verfahren. Wichtig für die <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
ist die Kenntnis <strong>der</strong> Fehlerquellen bei den einzelnen Verfahren. Des<br />
weiteren sollte eine Abschätzung <strong>der</strong> Meßgenauigkeit <strong>der</strong> Eingangsdaten wie z. B.<br />
Nie<strong>der</strong>schlag, Verdunstung, Boden, Abfluß und hydrogeologische Gegebenheiten<br />
erfolgen. Die Grundwasserneubildung ist als Basisabfluß Bilanzglied <strong>der</strong> Wasserhaushaltsgleichung:<br />
N = Q + V<br />
N = Qo + Qb + Qi + V<br />
N : Nie<strong>der</strong>schlag Qo : oberirdischer Abfluß<br />
Q : Abfluß QI : Zwischenabfluß<br />
V : Verdunstung Qb : Basisabfluß<br />
Bei langjährigen Betrachtungen (unter Nichtberücksichtigung von Speicherän<strong>der</strong>ungen)<br />
kann die Grundwasserneubildung bei Kenntnis <strong>der</strong> an<strong>der</strong>en Bilanzglie<strong>der</strong> berechnet<br />
werden. Die Vielzahl <strong>der</strong> entwickelten Methoden macht eine vollständige<br />
Darstellung <strong>der</strong> Möglichkeiten zur <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> Grundwasserneubildungrate unmöglich.<br />
Aufgrund <strong>der</strong> geographischen Lage des Untersuchungsgebietes Südost-<br />
Holstein konnten nur Methoden betrachtet werden, bei denen klimatologische wie<br />
geologische Verhältnisse des Untersuchungsgebietes ausreichend berücksichtigt<br />
werden. Dies reduziert die möglichen Verfahren mehr o<strong>der</strong> weniger auf den deutschsprachigen<br />
Raum. Für Grundwasserneubildungsberechnungen in ariden bis semiariden<br />
Klimaten hat die International Assosciation of Hydrogeologists (IAH) einen<br />
umfassenden Überblick über Verfahren und Problematiken <strong>der</strong> Grundwasserneubildungsabschätzung<br />
publiziert (LERNER ET AL., 1990a; BREDENKAMP ET AL., 1995).<br />
Im folgenden werden Verfahren zur Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
anhand ihres Betrachtungsschwerpunktes unterteilt und zusammenfassend<br />
beurteilt. Die durchgeführte Klassifizierung ist und kann aufgrund<br />
<strong>der</strong> Komplexität <strong>der</strong> <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> Grundwasserneubildung nicht eindeutig sein, so<br />
daß es zu Überschneidungen kommt.<br />
Sickerraum<br />
direkte Lysimetermethode o<strong>der</strong> die Übertragung von Lysimetergleichungen auf<br />
die Fläche, ggf. mit Ergänzung <strong>der</strong> Verfahren durch hydrologisch relevante Parameter<br />
(ABTEW & OBEYSEKERA, 1995; BALLA ET AL., 1998; DYCK &<br />
CHARDABELLAS, 1963; GLUGLA, 1996; GRUNSKE, 1975; JOSOPAIT & LILLICH,<br />
1975; LÜTZKE, 1965; OTTO, 1992; PROKSCH, 1990; SCHROEDER & WYRWICH,<br />
1990)<br />
21
22<br />
Wassergehalts- und Wasserspanungsmessungen unter Einsatz von Tensiometern<br />
(RENGER ET AL., 1974a), Neutronensonden (VISVALINGEN & TANDY,<br />
1972) o<strong>der</strong> einer Gammadoppelsonde und Einsatz <strong>der</strong> Darcy-Gleichung<br />
Bodenwasserhaushaltsmodelle o<strong>der</strong> ihre Kombination mit meteorologischen<br />
Wasserhaushaltsmodellen (ALBRECHT & GROSSMANN, 1995; BRADEN, 1995;<br />
ELLING ET AL., 1990; GLUGLA & THIEMER, 1971; GROSSMANN, 1996; HÖRMANN,<br />
1997; KLÄMT, 1988; KOITZSCH ET AL., 1980; RENGER & STREBEL, 1980;<br />
SCHROEDER & HAMELS, 1987; VAN DER PLOEG, 1974; WEGEHENKEL, 1995;<br />
WESSOLEK, 1989)<br />
Gerinneabfluß<br />
Auswertung <strong>der</strong> Abflußmessung unter <strong>der</strong> Annahme, daß <strong>der</strong> Basisabfluß <strong>der</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> entspricht (ASCHWANDEN ET AL., 1986; KILLE,<br />
1970; LINGEMANN, 1972; NATERMANN, 1958; WUNDT, 1958)<br />
Grundwasserraum<br />
mathematische Analyse <strong>der</strong> Grundwasserganglinen und <strong>der</strong> Grundwassereigenschaften:<br />
(Böke, 1977; Brühl et al., 1977; Bütow, 1975; Ferreira & Rodrigues,<br />
1988; Hessisches Landesamt für Umweltplanung, 1955; Johansson,<br />
1987; Preuss, 1977)<br />
hydrochemische Vergleiche zwischen <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlags- und Grundwasserzusammensetzung,<br />
z.B. Chloridmethode (JOHANSSON, 1988; SCHOELLER,<br />
1963; SCHULZ, 1972)<br />
In den Tabellen 2 bis 4 sind Vor- und Nachteile <strong>der</strong> Berechnungsverfahren in Abhängigkeit<br />
des Betrachtungsraumes zusammengestellt:<br />
Tabelle 2: Vor- und Nachteile <strong>der</strong> Berechnungsverfahren <strong>der</strong> Grundwasserneubildung bei <strong>der</strong> Betrachtung<br />
des Sickerraumes<br />
Lysimetermessung und erweiterte Verfahren<br />
Vorteile Nachteile<br />
direkte Meßwerte <strong>der</strong> Versickerung, bzw. Grund- nur im Lockergestein einsetzbar<br />
wasserneubildung bei ausreichen<strong>der</strong> Tiefe <strong>der</strong><br />
Lysimeter<br />
bei punktueller Betrachtung, wenig zusätzliche<br />
Eingangsdaten erfor<strong>der</strong>lich<br />
nur punktuelle Ergebnisse, bei <strong>der</strong> Übertragung<br />
auf die Fläche viele zusätzlichen Informationen<br />
notwendig: Nie<strong>der</strong>schlagshöhe, mittlere Monats<br />
bzw. Jahrestemperaturen, Oberflächenabfluß,<br />
Bewuchs bzw. Flächennutzung, Bodenart,<br />
Flurabstand des Grundwassers<br />
Ableitung weiterer Parameter möglich: Direktabfluß wird häufig vernachlässigt o<strong>der</strong> pau-<br />
Evapotranspiration<br />
schal berechnet<br />
hohe zeitliche Auflösung bei wägbaren<br />
technisch aufwendig: ungestörte Verhältnisse im<br />
Lysimetern<br />
Lysimeter schwer zu realisieren
Fortsetzung Tabelle 2: Vor- und Nachteile <strong>der</strong> Berechnungsverfahren <strong>der</strong> Grundwasserneubildung bei<br />
<strong>der</strong> Betrachtung des Sickerraumes<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> aus <strong>der</strong> Bodenwasserhaushaltsmessung<br />
Vorteile Nachteile<br />
direkte Meßwerte im Boden, geringfügige nur in relativ homogenen Böden sinnvoll<br />
Störung <strong>der</strong> natürlichen Verhältnisse<br />
hohe zeitliche Auflösung möglich sehr aufwendig bzgl. Messung und Auswertung<br />
<strong>Ermittlung</strong> kleinflächiger Nutzungs- o<strong>der</strong> Bodenunterschiede<br />
nur punktuelle Ergebnisse<br />
Ableitung weiterer Parameter möglich:<br />
Evapotranspiration, kapillarer Aufstieg<br />
bei punktueller Betrachtung, wenig zusätzliche<br />
Eingangsdaten erfor<strong>der</strong>lich<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> aus dem Bodenwasserhaushaltsmodellen<br />
Vorteile Nachteile<br />
Berücksichtigung <strong>der</strong> relevanten agrarmeteorologischen<br />
Eingangsparameter<br />
Ableitung von Bodenfeuchte, realer Evapotranspiration,<br />
kapillarem Aufstieg möglich<br />
bei ausreichen<strong>der</strong> Datengrundlage sehr gute<br />
Ergebnisse im kleinräumigen Bereich<br />
Ableitung von Bodenfeuchte, realer<br />
Evapotranspiration<br />
23<br />
tlw. erfor<strong>der</strong>liche Eingangsdaten wie Globalstrahlung,<br />
Windgeschwindigkeit<br />
klimatologische Eingangsdaten müssen häufig in<br />
täglicher Auflösung vorliegen<br />
Regionalisierung <strong>der</strong> täglichen o<strong>der</strong> monatlichen<br />
klimatologischen Daten.<br />
Ableitung <strong>der</strong> Bodenkennwerte wie Feldkapazität,<br />
nutzbare Feldkapazität, permanenter Welkepunkt,<br />
hydraulische Leitfähigkeit für große Gebiete<br />
ist sehr schwierig<br />
Tabelle 3: Vor- und Nachteile <strong>der</strong> Berechnungsverfahren <strong>der</strong> Grundwasserneubildung bei <strong>der</strong> Betrachtung<br />
des Gerinneabflusses<br />
Vorteile<br />
Gerinneabfluß<br />
Nachteile<br />
relativ einfacher Modellaufbau langjährige Abflußmessungen nötig<br />
relativ hohe Genauigkeit bei langjährigen Betrachtungen<br />
Voraussetzung: <strong>der</strong> gesamte Abfluß in Trockenwetterzeiten<br />
entstammt ausschließlich dem<br />
Grundwasser<br />
Schwierigkeiten bei effluenten Verhalten des<br />
Aquifers<br />
Fehler durch eventuell nicht erfaßten Grundwasserabstrom<br />
und Zwischenabfluß<br />
im Flachland meist ungenügende Kenntnis des<br />
unterirdischen Einzugsgebietes<br />
Verfahren mathematisch nicht exakt formuliert
24<br />
Tabelle 4: Vor- und Nachteile <strong>der</strong> Berechnungsverfahren <strong>der</strong> Grundwasserneubildung bei <strong>der</strong><br />
Betrachtung des Grundwasserraumes<br />
Grundwassermodelle<br />
Vorteile Nachteile<br />
umfangreiche Modellierung des Gesamtwasserhaushaltes<br />
eines Aquifers<br />
Berücksichtigung von unterirdischen Ab- und<br />
Zustrom<br />
nur sekundär einsetzbar für die Berechnung <strong>der</strong><br />
Grundwasserneubildung<br />
großer Umfang an benötigten Eingangsdaten:<br />
• dichtes Grundwassermeßstellennetz<br />
• hydrogeologische Größen (Transmissivität,<br />
kf-Wert, etc.)<br />
Vorteile<br />
komplizierte Eichung und Festlegung <strong>der</strong> Anfangs-<br />
und Randbedingungen für die Modelle<br />
hohe Anzahl von Grundwassermeßstellen notwendig<br />
Chloridmethode<br />
Nachteile<br />
geringer Aufwand:<br />
Methode nur anwendbar in kleinen, homogenen<br />
• in landwirtschaftlich ungenutzten Gebieten Gebieten, in denen das Auftreten von Salz aus:<br />
2-3 Probenahmen von wenigen, repräsen- • Landwirtschaft<br />
tativen Brunnen<br />
• Streusalzen<br />
• Nie<strong>der</strong>schlagsbeprobung (Mittelwerte unter<br />
Berücksichtigung <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe)<br />
• geogener Herkunft<br />
• Untersuchung des Vorfluters bei Trockenwetterabfluß<br />
auszuschließen ist.<br />
Die <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> Grundwasserneubildungrate sollte nach<br />
Möglichkeit mit unterschiedlichen Methoden, die von einan<strong>der</strong> unabhängige Eingangsdaten<br />
benutzen, berechnet werden (HYDROGEOLOGIE, 1977). Häufig führt erst<br />
die <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> über verschiedenen Methoden zu<br />
verläßlichen Abschätzungen (DÖRHÖFER & JOSOPAIT, 1997; LERNER ET AL., 1990A),<br />
wobei die Auswahl <strong>der</strong> Verfahren abhängig von <strong>der</strong> Datengrundlage ist. Aufgrund <strong>der</strong><br />
zur Verfügung stehenden Datenlage konnten Berechnungsverfahren des Grundwasserraumes<br />
nicht berücksichtigt werden. Dies gilt ebenso für Bodenwassergehaltsund<br />
Lysimetermessungen. Indirekt gehen in viele Verfahren aus Lysimetermessungen<br />
abgeleitete Gleichungen ein.<br />
Die von uns ausgewählten Verfahren zur <strong>flächendifferenzierten</strong> Berechnung <strong>der</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> werden im folgenden zusammenfassend vorgestellt.<br />
Im Kapitel 5 werden die Verfahren und ihre konkrete Umsetzung im Geoinformationssystem<br />
Arc/Info beschrieben. Dort werden die in das jeweilige Verfahren eingehenden<br />
Formeln und Werte etc. genannt.
2.2.1 Lysimeterverfahren<br />
In <strong>der</strong> Literatur viel zitiert und auch in <strong>der</strong> Praxis angewandt werden die Lysimeterauswertungen<br />
von DYCK & CHARDABELLAS (1963). DYCK & CHARDEBELLAS (1963)<br />
werteten Meßwerte von 40 mitteleuropäischen Stationen aus, wobei 27 Stationen in<br />
<strong>der</strong> Bundesrepublik Deutschland, die übrigen in Holland, Großbritannien, Frankreich,<br />
Österreich und <strong>der</strong> Sowjetunion lagen. Die von ihnen erstellten Lysimetergleichungen<br />
beschreiben die Sickerwasser-Nie<strong>der</strong>schlagsbeziehungen für Sand und Lehm mit<br />
und ohne Bewuchs. Auffallend bei <strong>der</strong> Betrachtung <strong>der</strong> Gleichungen ist, daß unabhängig<br />
vom Bewuchs o<strong>der</strong> <strong>der</strong> Bodenart, alle Geraden durch dieselbe Steigung von<br />
1,1 beschrieben werden. SCHROEDER (1980) und PROKSCH (1990) weisen darauf hin,<br />
daß im mitteleuropäischen Klimabereich, eine Steigung von > 1 nicht zu erwarten ist.<br />
Liegen bei einer Lysimetergleichung Steigungen von > 1 vor, bedeutet dies, daß die<br />
Sickerwassermenge stärker ansteigt als <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlag und somit die Verdunstungshöhe<br />
bei höheren Nie<strong>der</strong>schlägen abnimmt. Aufgrund <strong>der</strong> Literaturstudien sind<br />
wir <strong>der</strong> Meinung, daß DYCK & CHARDEBELLAS (1963) durch den Faktor 1,1 den<br />
systematischen Meßfehler bei <strong>der</strong> Erhebung <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe korrigieren. Bis<br />
zu dem Korrekturansatz von RICHTER (1995), wurde die Nie<strong>der</strong>schlagshöhe oft mit<br />
einem Pauschalwert von ca. 10 % korrigiert. Die Lysimetergleichungen von DYCK und<br />
CHARDEBELLAS (1963) sind Grundlage von einigen Verfahren zur Berechnung <strong>der</strong><br />
<strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (DÖRHÖFER & JOSOPAIT, 1980;<br />
JOSOPAIT & LILLICH, 1975; OTTO, 1992).<br />
Besser geeignet erscheinen die Lysimetergleichungen von PROKSCH (1990).<br />
PROKSCH (1990) wertete das umfangreiche Datenmaterial <strong>der</strong> hydrologischen Datenbank<br />
HYDABA aus. HYDABA ist eine Datenbank, die qualitative und quantitative hydrologische<br />
Daten umfaßt und an <strong>der</strong> Bundesanstalt für Gewässerkunde geführt<br />
wird. Anhand des umfangreichen Datenmaterials konnte PROKSCH (1990), unter Berücksichtigung<br />
von insgesamt 88 Stationen, Beziehungen von Nie<strong>der</strong>schlag, Bodenart,<br />
Vegetationsbedeckung und Sickerwassermengen beschreiben. Die von PROKSCH<br />
benutzten Nie<strong>der</strong>schlagsdaten, bestanden sowohl aus Werten, die auf Bodenniveau<br />
als auch aus Nie<strong>der</strong>schlagsdaten, die in einer Hohe von 1 m über <strong>der</strong> Erdoberfläche<br />
gemessen wurden (unkorrigierte Nie<strong>der</strong>schlagshöhen vgl. Kapitel 2.1.1). Interessant<br />
ist, daß PROKSCH (1990) um einen einheitlichen Datensatz zu besitzen, die korrekt<br />
auf Bodenniveau gemessenen Nie<strong>der</strong>schlagshöhen gegenkorrigierte.<br />
Grundwassernahe Standorte werden bei PROKSCH (1990) dadurch berücksichtigt,<br />
daß er diesen, in Abhängigkeit vom Bewuchs und Flurabstand, ggf. Werte <strong>der</strong> potentiellen<br />
Seeverdunstung zuweist. Auch versiegelte Flächen werden mittels Faktoren<br />
bei <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> Grundwasserneubildung berücksichtigt. Das Fehlen von<br />
Gleichungen für den Bestand Wald auf lehmigen Substraten gleicht er durch Pauschalwerte<br />
aus.<br />
25
26<br />
Verfahrensbewertung<br />
Für beide Verfahren gilt, daß die aus Lysimetermessungen gewonnen Daten zunächst<br />
nur Gültigkeit für den konkreten Meßstandort und den betrachteten Zeitraum<br />
besitzen. Zur Erfassung einer repräsentativen <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> müssen<br />
die punktuell erhobenen Lysimeterdaten auf größere Areale übertragen werden. Die<br />
Vergleichbarkeit <strong>der</strong> Eingangsdaten, wie Bewuchs, Bodenart und meteorologischen<br />
Bedingungen, muß gewährleistet sein. Die Ergebnisse sind nur auf an<strong>der</strong>e Gebiete<br />
übertragbar, wenn die Bedingungen am Meßstandort weitgehend den Verhältnissen<br />
im Untersuchungsgebiet entsprechen.<br />
Das von PROKSCH (1990) entwickelte Verfahren benutzt, ebenso wie das von DYCK &<br />
CHARDEBELLAS (1963), unkorrigierte Nie<strong>der</strong>schlagsdaten. Diese können entwe<strong>der</strong><br />
den meteorologischen Jahrbüchern entnommen o<strong>der</strong> direkt beim DWD angefor<strong>der</strong>t<br />
werden. Aufgrund <strong>der</strong> Einteilung in Bodenartengruppen, ist eine Klassifizierung anhand<br />
von bodenkundlichen o<strong>der</strong> geologischen Karten vergleichsweise unkompliziert.<br />
Von Nachteil ist, daß laterale Wasserbewegungen wie Oberflächen- und<br />
Zwischenabflüsse nicht berücksichtigt werden. Dies bedeutet, daß Flächen in denen<br />
diese Problematik auftritt, erkannt und geson<strong>der</strong>t betrachtet werden müssen.<br />
2.2.2 Das Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990)<br />
Beim Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990) wird über den Bodenwasserhaushalt<br />
die Grundwasserneubildung an ebenen Standorten im Lockergesteinsbereich,<br />
ohne Berücksichtigung des oberirdischen Abflusses und des Zwischenabflusses, ermittelt<br />
(Qd = 0). Hierbei wird davon ausgegangen, daß die Differenz zwischen Nie<strong>der</strong>schlag<br />
und realen Verdunstung <strong>der</strong> Grundwasserneubildung entspricht. Voraussetzung<br />
ist, daß <strong>der</strong> Bodenwasserspeicher zu Beginn <strong>der</strong> Vegetationsperiode bis zur<br />
Feldkapazität gefüllt ist. Aus diesem Grunde erfolgt die Berechnung <strong>der</strong> realen<br />
Evapotranspiration als Summe von April bis März des Folgejahres nach <strong>der</strong> Formel:<br />
Eta = a * NSo + b * NWi + c * log W pfl + d *ETp + e<br />
mit Eta = reale Evapotranspiration<br />
Etp = potentielle Evapotranspiration nach Haude (Gras) in mm/a<br />
Nso = Sommernie<strong>der</strong>schlag in mm, Summe 01.04. bis 30.09.<br />
NWi = Winternie<strong>der</strong>schlag in mm, Summe 01.10. bis 31.03.<br />
Wpfl = pflanzenverfügbare Wassermenge im Boden in mm<br />
Die Nie<strong>der</strong>schlagsdaten gehen als unkorrigierte Nie<strong>der</strong>schlagshöhen in die Gleichungen<br />
ein. Die pflanzenverfügbare Wassermenge Wpfl setzt sich zusammen aus<br />
<strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität im effektiven Wurzelraum (nFKWe) und dem kapillaren<br />
Aufstieg aus dem Grundwasser (KRV):<br />
Wpfl = nFKWe + KRV bei grundwasserfernen Böden gilt: Wpfl = nFKWe.
Die Konstanten a bis e sind abhängig von Klima und Standortbedingungen (vgl. Kapitel<br />
5.2). Sie ergeben sich über die Berechnung <strong>der</strong> realen Evapotranspiration nach<br />
dem Rijetma-Ansatz (RIJETMA 1965). Die Genauigkeit <strong>der</strong> Verdunstungsbestimmung<br />
wird mit + 20 - 35 mm a ngegeben.<br />
Verfahrensbewertung<br />
In ebenen Gebieten ohne Oberflächenabfluß ist das Verfahren gut einsetzbar. Die<br />
meteorologischen Ausgangsdaten sind unkorrigierter Nie<strong>der</strong>schlag und die potentielle<br />
Evapotranspiration nach Haude. In Gebieten mit hohem Oberflächenabfluß muß<br />
überprüft werden, inwiefern dies zu berücksichtigen ist. Angaben über die nutzbare<br />
Feldkapazität im effektiven Wurzelraum (nFKWe) sollen aus Bodenkarten entnommen<br />
werden. Sind diese nicht vorhanden, ist eine Ableitung aus geologischen Karten vorzunehmen,<br />
was mit erheblichen Arbeitsaufwand verbunden ist. Ferner muß die<br />
Durchwurzelungstiefe und bei Grundwasserbeeinflussung die Höhe <strong>der</strong> kapillaren<br />
Aufstiegsrate, ermittelt werden. Die Ableitung dieser Parameter anhand geologischer<br />
Karten ist problematisch. In Gebieten mit erhöhter Luftfeuchtigkeit kann es aufgrund<br />
des Einsatzes <strong>der</strong> Haude-Verdunstung zu fehlerhaften Berechnungen kommen.<br />
Weiterer Nachteil des Verfahrens ist, daß keine Faktoren für die Bewuchsarten<br />
Laubwald und Moor geliefert werden. Das Verfahren wurde zum Beispiel von<br />
KLAASSEN & SCHEELE (1996) unter Einsatz des Geoinformationssystems Arc/Info in<br />
Hessen eingesetzt.<br />
2.2.3 Das Verfahren nach Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975)<br />
Die Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nach<br />
Bagrov/Glugla ist ein relativ kompliziertes Verfahren. Dies liegt zum einen daran, daß<br />
sehr viele Einflüsse <strong>der</strong> Grundwasserneubildung berücksichtigt werden. Zum an<strong>der</strong>en<br />
ist die Berechnung nicht direkt über die Formel von Bagrov möglich. Sie wird<br />
über ein von GLUGLA & THIEMER (1971) entwickeltes Nomogramm durchgeführt . Das<br />
Verfahren nach Bagrov/Glugla arbeitet mit korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagswerten und <strong>der</strong><br />
potentiellen Evapotranspiration nach Penman o<strong>der</strong> Turc. Bei <strong>der</strong> Verwendung <strong>der</strong><br />
Turc-Evapotranspiration ist zu beachten, daß die Evapotranspirationshöhen für den<br />
deutschen Klimaraum um den Faktor 1,1 zu erhöhen sind (vgl. Kapitel 2.1.2). Liegen<br />
keine korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagswerte vor, so wird <strong>der</strong> Windfehler pauschal mit ca.<br />
10 % <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe berücksichtigt und die unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlagswerte<br />
um den jeweiligen Betrag erhöht. Von <strong>der</strong> korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagshöhe wird<br />
<strong>der</strong> Direktabfluß subtrahiert, wodurch <strong>der</strong> effektive Nie<strong>der</strong>schlag (Neff) ermittelt wird.<br />
Der Direktabfluß kann, wenn keine Messungen zur Verfügung stehen, als absoluter<br />
Wert aus Tabellen entnommen werden. In ebenen Gebieten entfällt dieser Arbeitsschritt.<br />
Berücksichtigt werden die Nutzungsarten: vegetationsloser Boden, landwirtschaftlich,<br />
gärtnerisch o<strong>der</strong> forstwirtschaftliche Nutzung. Im weiteren Verfahrensgang<br />
werden verschiedene Informationen in Tabellen und Diagrammen ausgewertet. In<br />
Abhängigkeit von Bewuchs und Bodenart wird Effektivitätsparameter “n“ ermittelt. Die<br />
27
28<br />
Informationen zur Bodenart werden <strong>der</strong> Reichsbodenschätzung o<strong>der</strong> Bodenkarten<br />
entnommen.<br />
Das Bagrov-Verfahren gilt zunächst für Flächen mit flurfernem Grundwasser. Bei<br />
Flächen mit flurnahem Grundwasser muß dieser Einfluß anhand von mittleren Werten<br />
von effektiver Durchwurzelungstiefe, Grundwasserstand und kapillarer Aufstiegsrate<br />
ermittelt werden. Die kapillare Aufstiegsrate ist für Tage <strong>der</strong> Wachstumszeit, ohne<br />
o<strong>der</strong> mit Nie<strong>der</strong>schlagshöhen < 2 mm/d, zu berechnen (GLUGLA, 1996). Unter<br />
mitteleuropäischen Bedingungen gilt im Mittel:<br />
für Halmfrüchte 60 Tage<br />
für Hackfrüchte 90 Tage<br />
für Wald und Dauergrünland 120 Tage<br />
In Abhängigkeit von <strong>der</strong> Höhe <strong>der</strong> kapillaren Aufstiegsrate ist <strong>der</strong> Effektivitätsparameter<br />
„n“ zu erhöhen. Der Effektivitätsparameter „n“ zusammen mit dem Quotient<br />
aus Neff und ETpot gehen in ein Nomogramm ein, aus welchem sich die aktuelle Verdunstung<br />
ableitet. Der Neff abzüglich <strong>der</strong> aktuellen Verdunstung entspricht dann <strong>der</strong><br />
Grundwasserneubildung.<br />
Verfahrensbewertung<br />
Das Verfahren nach Bagrov/Glugla ist gut im Lockergesteinsbereich einsetzbar. Nie<strong>der</strong>schlagskorrektur,<br />
Oberflächenabfluß und kapillarer Aufstieg werden berücksichtigt.<br />
Die gefor<strong>der</strong>ten klimatischen Eingangsdaten können am einfachsten vom DWD<br />
bezogen werden. Die Verwendung <strong>der</strong> Penman-Formel ist weniger geeignet, da die<br />
zur Berechnung notwendigen Parameter nicht an je<strong>der</strong> Klimastation erhoben werden.<br />
Aus diesem Grunde bietet sich <strong>der</strong> Einsatz <strong>der</strong> Turc-Verdunstung an. Von Nachteil<br />
ist außerdem die Ableitung des Effektivitätsparameters „n“ und <strong>der</strong> realen<br />
Evapotranspiration aus Nomogrammen, was die Handhabung des Verfahrens sehr<br />
aufwendig macht. Problematisch ist ebenfalls die Ableitung <strong>der</strong> benötigten Bodenkenngrößen,<br />
des Grundwasserflurabstandes und <strong>der</strong> kapillaren Aufstiegsrate. Dies<br />
gilt insbeson<strong>der</strong>e dann, wenn keine bodenkundlichen Karten o<strong>der</strong> keine Daten <strong>der</strong><br />
Reichsbodenschätzung vorliegen.<br />
Das Verfahren von Bagrov/Glugla findet in Deutschland, insbeson<strong>der</strong>e im ostdeutschen<br />
Raum, verbreitet Anwendung. Es wurde in das Rechenprogramm RASTER<br />
und in das Abflussbildungsmodell ABIMO integriert (GLUGLA & ENDERLEIN, 1976;<br />
GLUGLA & KÖNIG, 1989; HERZOG & KUNZE, 1999), wodurch die Ableitung von „n“ durch<br />
die Software vollzogen wird. BIERSTEDT (1991) prüfte die Einsetzbarkeit des Verfahrens<br />
und kam zu dem Schluß, daß es bei freien Grundwasserleitern bis zu einer<br />
Teufe von maximal 30 m gut geeignet ist.
2.2.4 Das Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975)<br />
JOSOPAIT & LILLICH (1975) entwickelten eine Methode zur Abschätzung <strong>der</strong> Grundwasserneubildung<br />
im mittleren Flächenmaßstab von 1 : 200 000 für das nie<strong>der</strong>sächsische<br />
Flachland. Als Datengrundlage werden topographische, bodenkundliche und<br />
geologische Karten, sowie unkorrigierte Nie<strong>der</strong>schlagshöhen herangezogen. Das<br />
Verfahren verwendet in erweiterter Form die Lysimeterbeziehungen von Dyck und<br />
Chardebellas. Josopait und Lillich rechtfertigen den Einsatz dieser Gleichungen damit,<br />
daß vor allem Nie<strong>der</strong>schlag, Bodenart und Bewuchs maßgebend für die Höhe<br />
<strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> sind, während unterschiedliche Klimaverhältnisse<br />
eine untergeordnete Rolle spielen. Sie berücksichtigen, daß die im Lysimeter gemessene<br />
Sickerwassermenge nur dann <strong>der</strong> Grundwasserneubildung gleichgesetzt<br />
werden kann, wenn kein Oberflächenabfluß und keine Grundwasserbeeinflussung<br />
vorliegt.<br />
Anhand von bodenkundlichen Übersichtskarten und geologischen Karten werden<br />
grundwassernahe Standorte abgegrenzt und die geologischen Einheiten in den Substrattypen<br />
Sand, Geschiebelehm und Sandlöß zusammengefaßt. Aus topographischen<br />
Karten wird die Landnutzung für die drei Klassen Acker-/Grünland, Heide und<br />
Wald abgeleitet. Im folgenden Schritt wird <strong>der</strong> Wasserüberschuß bestimmt. Der<br />
Wasserüberschuß ist hierbei die Wassermenge, die nach Abzug <strong>der</strong> ermittelten realen<br />
Evapotranspiration vom mittleren Jahresnie<strong>der</strong>schlag verbleibt. Liegt keine<br />
Grundwasserbeeinflussung vor, entspricht <strong>der</strong> Wasserüberschuß <strong>der</strong> Sickerwassermenge,<br />
die nach Lysimetergleichungen berechnet wird. Für grundwasserbeeinflußte<br />
Böden werden in Abhängigkeit vom Bodentyp und Flurabstand entwe<strong>der</strong> Pauschalwerte<br />
von 150 - 200 mm /a für den Wasserüberschuß eingesetzt o<strong>der</strong> aber ein Betrag<br />
von 50 mm/a von <strong>der</strong> errechneten Sickerwasserhöhe abgezogen. Dadurch wird<br />
die durch die Grundwasserbeeinflussung erhöhte Verdunstung berücksichtigt.<br />
Zur Abschätzung des oberirdischen Abflusses werden vier Gebietstypen abgegrenzt,<br />
die Bereiche mit sehr hohen, hohen bis mittleren, gelegentlichen o<strong>der</strong> keinem Oberflächenabfluß<br />
kennzeichnen. In Abhängigkeit von Relief, Bebauung, Infiltrationsvermögen<br />
des Bodens, Entfernung zum Vorfluter und dem Flurabstand erhalten diese<br />
Gebiete Werte zwischen 0 - 200 mm/a . Die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> entspricht<br />
dann <strong>der</strong> Differenz zwischen Wasserüberschuß und Oberflächenabfluß. Von Nachteil<br />
ist, daß bei <strong>der</strong> Klassifizierung <strong>der</strong> Landnutzung we<strong>der</strong> Acker- und Grünland noch<br />
Laub-, Nadel- bzw. Mischwald differenziert werden.<br />
Verfahrensbewertung<br />
Das Verfahren ist aufgrund seiner Entwicklung für ein Gebiet im nie<strong>der</strong>sächsischen<br />
Flachland grundsätzlich gut für das Untersuchungsgebiet Südost-Holstein einsetzbar.<br />
Als klimatologische Daten gehen nur unkorrigierte Nie<strong>der</strong>schlagsdaten ein, was die<br />
benötigte Datengrundlage reduziert. Oberflächenabfluß und Grundwasserbeeinflus-<br />
29
30<br />
sung werden - wenn auch nur pauschal - berücksichtigt. Die nur abgeschätzten Abschläge<br />
können bei <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> Grundwasserneubildung in an<strong>der</strong>en Gebieten<br />
zu Fehleinschätzungen führen.<br />
Das Verfahren wurde als Grundlage für die Berechnungen <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> in verschiedenen Regionen Deutschlands eingesetzt<br />
(OTTO, 1992; STRUCKMEIER, 1990). OTTO (1992) beschreibt das Verfahren hinsichtlich<br />
seiner Eignung als gut. Teilaspekte, wie z.B. die <strong>Ermittlung</strong> des Oberflächenabflusses,<br />
paßte er auf die hydrologischen Verhältnisse des Untersuchungsgebietes Südost-Holstein<br />
an.<br />
2.2.5 Das Verfahren nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
Das von DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) entwickelte Verfahren wurde in Nie<strong>der</strong>sachsen<br />
angewendet, um eine Abschätzung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> für beliebige<br />
Teilgebiete, die Vorauswahl von Deponiestandorten und die Abgrenzung günstiger<br />
Einzugsgebiete für die Wassererschließung zu bestimmen. Dabei wurde eine<br />
dem Maßstab 1: 200 000 angestrebte Genauigkeit bezüglich <strong>der</strong> Mengenangaben<br />
und Gebietswerte angestrebt. Die Methode wurde sowohl für den Lockergesteins- als<br />
auch für den Festgesteinsbereich entworfen.<br />
Durch die Betrachtung und Auswertung langjähriger unkorrigierter Nie<strong>der</strong>schlags-,<br />
Lysimeter- und Abflußdaten ergab sich ein direkter Zusammenhang zwischen steigen<strong>der</strong><br />
Nie<strong>der</strong>schlagshöhe und Abflußhöhe, die mit einer Steigung von ca. 1 beschrieben<br />
wird. Diese Annahme besitzt ihre Gültigkeit im humiden Klima bei Nie<strong>der</strong>schlagshöhen<br />
zwischen 600 bis 1000 mm/a. Sie beinhaltet, daß die Höhe <strong>der</strong> Verdunstung<br />
unabhängig von <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe konstant ist und somit <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlag<br />
nicht bei <strong>der</strong> <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> Evapotranspiration herangezogen werden muß.<br />
Unter Zuhilfenahme von Lysimeterauswertungen von DYCK & CHARDEBELLAS (1963),<br />
THOMAS-LAUCKNER & SPENGLER (1968) und RAUSCH (1977) wurde eine Beziehung<br />
zwischen Bodenart, Bewuchs (Acker-/Grünland, Wald, unbewachsen) und realer<br />
Evapotranspirationshöhe abgeleitet. Insgesamt ergeben sich 12 Evapotranspirationsstufen,<br />
wobei grundwassernahe Standorte in die höchsten Stufen fallen. Diese<br />
repräsentieren mit Werten zwischen 575 und 600 mm/a in etwa die potentielle<br />
Evapotranspirationshöhe unseres Klimabereiches.<br />
Die Berücksichtigung des Oberflächenabflusses geht davon aus, daß hohe Direktabflüsse<br />
bei steilem Relief sowie bei grundwassernahen Böden auftreten. Während geringe<br />
Abflüsse bei flachem Relief und grundwasserfernen durchlässigen Böden vorzufinden<br />
sind. Dabei wird <strong>der</strong> Oberflächenabfluß durch das Verhältnis von Gesamtabfluß<br />
zum unterirdischem Abfluß (Ages/Au) je nach Reliefenergie und Flurabstand<br />
bestimmt. Es ergeben sich sechs verschiedene Ages /Au Quotienten Gruppen.
Die ermittelten Werte werden in einfache Diagramme eingetragen, aus denen die<br />
Grundwasserneubildung als Ergebnis zu entnehmen ist. Nach <strong>der</strong> Bestimmung <strong>der</strong><br />
Grundwasserneubildungrate werden für versiegelte Flächen prozentuale Abschläge<br />
von <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> abgezogen.<br />
Verfahrensbewertung<br />
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß es sowohl für den Lockergesteins- als<br />
auch für den Festgesteinsbereich aufgestellt wurde. Es ist hinsichtlich seiner Anfor<strong>der</strong>ung<br />
an die Eingangsdaten für größere Gebiete, die im humiden Klimabereich liegen,<br />
geeignet. Dadurch, daß die Verdunstung aus <strong>der</strong> Bodenart und <strong>der</strong> Art des Bewuchses<br />
ermittelt wird, werden an meteorologischen Daten nur unkorrigierte Nie<strong>der</strong>schlagswerte<br />
benötigt. Diesem Vorteil steht gegenüber, daß für die Bestimmung des<br />
Oberflächenabflusses, neben <strong>der</strong> Erhebung <strong>der</strong> Flurabstände, die Reliefenergie benötigt<br />
wird. Diese muß, wenn nicht bestehende Karten ausgewertet können, mühevoll<br />
aus digitalen Höhenmodellen o<strong>der</strong> topologischen Karten abgeleitet werden. Das<br />
Verfahren berücksichtigt Oberflächenabfluß, Grundwasserbeeinflussung und Versiegelung.<br />
Die Bewuchsarten werden letztendlich nur in zwei relevante Klassen<br />
unterglie<strong>der</strong>t (Acker-/Grünland o<strong>der</strong> Wald). Dabei beruht die für Wald abgeleitete Beziehung<br />
nur auf Einzelwerten. Aufgrund <strong>der</strong> Ableitung <strong>der</strong> relevanten Parameter aus<br />
Diagrammen, ist die Berechnung <strong>der</strong> Grundwasserneubildungrate für größere Gebiete<br />
sehr arbeitsaufwendig.<br />
In <strong>der</strong> Praxis findet insbeson<strong>der</strong>e <strong>der</strong> Ansatz zur <strong>Ermittlung</strong> des Direktabflusses Anwendung<br />
(SCHREY, 1992; SCHROEDER & WYRWICH, 1990; STRUCKMEIER, 1990).<br />
GROSSMANN (1997) berechnete anhand des Verfahrens die flächendifferenzierte<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> für den Großraum Hamburg. Er kritisiert, daß die<br />
grundwassernahen Böden nur in stark generalisierter Form Berücksichtigung finden,<br />
da kein Unterschied zwischen den einzelnen Nutzungstypen gemacht wird.<br />
2.2.6 Das Verfahren nach SCHROEDER & WYRWICH (1992)<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1992) modifizierten die Methode von DORHÖFER & JOSOPAIT<br />
(1980), um die Grundwasserneubildung flächendifferenziert in einem Raster zu erheben.<br />
Die Methode wurde in verschiedenen Gebieten Nordrhein-Westfalen angewendet<br />
und überprüft. Der mittlere unkorrigierte Jahresnie<strong>der</strong>schlag wird aus <strong>der</strong> Höhengleichenkarte<br />
im Maßstab 1 : 200 000 abgeleitet, während Landnutzung und Bodengruppen<br />
aus den entsprechenden Karten im Maßstab 1 : 50 000 zu erheben sind.<br />
Bei <strong>der</strong> Verdunstung wird auf verschiedene Bewuchsarten (Acker-/Grünland, Nadelwald,<br />
Mischwald, Laubwald) eingegangen. Diesen werden pauschale Evapotranspirationswerte<br />
in Abhängigkeit von <strong>der</strong> Bodengruppe zugeordnet. Unterschieden werden<br />
terrestrische Sandböden o<strong>der</strong> terrestrische Lehmböden. Als weitere Bodengruppe<br />
werden semiterrestrische Böden mit flach anstehendem Grundwasser bzw. lang<br />
anhaltendem Stauwasser abgegrenzt (Auen-, Gley-, Pseudogley-Böden, Moore). Für<br />
die Abschätzung des Oberflächenabflusses werden neben <strong>der</strong> Reliefenergie auch<br />
31
32<br />
Bewuchs und Bodengruppe herangezogen. Aus einer Tabelle ist dann <strong>der</strong> prozentuale<br />
Anteil (p) des Oberflächenabflusses am Wasserüberschuß zu entnehmen. Für<br />
die Bewuchsart Wald wird grundsätzlich kein Direktabfluß angenommen.<br />
Verfahrensbewertung<br />
Die nötigen Eingangsdaten können meteorologischen, topographischen, bodenkundlichen<br />
und geologischen Karten entnommen werden. Die Bestimmung des Direktabflußanteils<br />
wird im Gegensatz zu dem Verfahren nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
nicht nur von <strong>der</strong> Reliefenergie, son<strong>der</strong>n zusätzlich von Bewuchs und Bodenart abgeleitet.<br />
Unberücksichtigt bleibt, daß die Höhe des Direktabflusses noch von weiteren<br />
Faktoren abhängig ist. So verringern z.B. Ackerfurchen selbst bei relativ hoher<br />
Reliefenergie den Anteil stark (BORK, 1988). Auch abflußlose Senken bewirken eine<br />
relativ hohe Reliefenergie, ohne jedoch einen oberflächlichen Abfluß direkt in den<br />
Vorfluter zu ermöglichen. Reliefenergien, die größer als 40 m/km 2 sind, werden in<br />
dem Ansatz nicht beachtet. Problematisch ist <strong>der</strong> Einsatz von pauschalen Werten<br />
für die Evapotranspirationshöhe. Aufgrund des hauptsächlich numerischen<br />
Lösungsansatzes, ist das Verfahren wesentlich unkomplizierter zu handhaben als die<br />
vorwiegend graphische Auswertung nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980).<br />
Grossmann, (1997) weist darauf hin, daß bei <strong>der</strong> Anwendung darauf zu achten ist,<br />
daß die Klimastationen innerhalb des Gültigkeitsbereiches des Verfahren liegen. Er<br />
stellte bei seinen Berechnungen fest, daß bei Klimastationen mit Nie<strong>der</strong>schlagshöhen<br />
um 600 mm/a, die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nach dem Ansatz von<br />
Schroe<strong>der</strong> & Wyrwich (1992 ) zu gering sind. In einem weiteren Schritt entwickelte er<br />
das Verfahren weiter, indem er es mit einem Einschicht-Bodenwasserhaushaltsmodell<br />
kombinierte (Grossmann, 1998).<br />
2.2.7 Grundwasserneubildungsberechnung mit dem Verdunstungskomponentensystem<br />
VEKOS (KLÄMT, 1988)<br />
Das Verdunstungskomponentensystem Vekos wurde bereits im Kapitel 2.1.2 vorgestellt.<br />
Verfahrensbewertung<br />
Bei <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> Grundwasserneubildung wird davon ausgegangen, daß we<strong>der</strong><br />
Oberflächen- noch Zwischenabfluß auftritt. Sie ergibt sich dementsprechend aus<br />
Differenz von korrigierter mittlerer Nie<strong>der</strong>schlagshöhe zu mittlerer realer Evapotranspirationshöhe,<br />
in Abhängigkeit von Bewuchs und Bodenart. Im Vergleich zu den an<strong>der</strong>en<br />
Verfahren werden die realen Evapotranspirationshöhen anhand täglicher Daten<br />
ermittelt, wobei auch Interzeptionsverdunstung berücksichtigt wird. Das Programm<br />
ermöglicht eine sehr differenzierte Betrachtung des Bewuchses. Die reale<br />
Evapotranspirationshöhe kann für die Bestandsarten Wald (Nadel- , Laubwald),<br />
Grünland und zehn landwirtschaftliche Hauptfruchtarten (Winter-, Sommergetreide,<br />
Kartoffeln, Zuckerrüben, Raps) unter Berücksichtigung von Zwischenfruchtanbau und<br />
Brache berechnet werden.
3 Datengrundlage, -überprüfung, -bearbeitung<br />
Im folgenden Kapitel wird die für die Berechnungen herangezogene Datengrundlage<br />
dargelegt. Es werden unterschiedliche Methoden zur Überprüfung <strong>der</strong> Datengüte<br />
vorgestellt. Ferner wird die Überführung von geologischen und bodenkundlichen<br />
Karten in digitale Form beschrieben, sowie die Bearbeitung <strong>der</strong> vom LANU zur Verfügung<br />
gestellten Daten.<br />
3.1 Klima<br />
Im Rahmen <strong>der</strong> <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
im Untersuchungsraum Südost-Holstein wird zugleich eine Machbarkeitsstudie für<br />
den nördlich angrenzenden Untersuchungsraum Lübeck durchgeführt. Aus diesem<br />
Grunde wurde bei <strong>der</strong> Datenakquisition <strong>der</strong> klimatologischen Daten dieser Untersuchungsraum<br />
auch abgedeckt. Die Regionalisierung <strong>der</strong> meteorologischen Punktdaten<br />
wurde mit diesem erweiterten Datensatz durchgeführt (vgl. Anhang 1.1.)<br />
3.1.1 Datengrundlage Klima<br />
Nie<strong>der</strong>schlag<br />
Das LANU stellte Nie<strong>der</strong>schlagsmeßreihen im Zeitraum von 1975-1995 von insgesamt<br />
192 Nie<strong>der</strong>schlagsstationen in Schleswig-Holstein zur Verfügung. Alle Stationen<br />
gehören dem Meßnetz des Deutschen Wettdienstes (DWD) an. Aus diesem<br />
Datenkollektiv wurden die Datensätze herausgesucht, die einen räumlichen Bezug<br />
zum Untersuchungsraum besitzen und lückenlose Zeitreihen vorweisen. Dadurch<br />
reduzierte sich <strong>der</strong> Datensatz auf 28 Nie<strong>der</strong>schlagsstationen, die den Zeitraum 1975-<br />
1995 in täglicher Auflösung abdecken.<br />
Eine erste Auswertung zeigte sowohl eine räumliche als auch zeitliche Variabilität <strong>der</strong><br />
Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung im Gesamtuntersuchungsgebiet. Die zeitliche Variabilität <strong>der</strong><br />
Nie<strong>der</strong>schlagshöhen ist hierbei größer als die regionalen Unterschiede <strong>der</strong> mittleren<br />
Nie<strong>der</strong>schlagshöhen. Diese Erkenntnis führte zu folgenden Arbeitsschritten:<br />
1. Ergänzung <strong>der</strong> bestehenden Zeitreihen unter Beachtung <strong>der</strong> WMO Richtlinie<br />
eines Mindestbeobachtungszeitraumes von 30 Jahren (SCHÖNWIESE, 1994).<br />
2. Verdichtung des Meßstellennetzes durch Berücksichtigung an<strong>der</strong>er Betreiber,<br />
wie Abwasserzweckverbände, Wasserversorgungsunternehmen und Forschungsinstitute.<br />
Die Verdichtung des Meßstellennetzes durch die Berücksichtigung an<strong>der</strong>er Betreiber<br />
erwies sich als nicht sinnvoll, da die dort durchgeführten Messungen keinem Standardverfahren<br />
unterliegen und somit keine Vergleichbarkeit <strong>der</strong> Daten gegeben ist.<br />
33
34<br />
Bei <strong>der</strong> Überprüfung <strong>der</strong> vom LANU zur Verfügung gestellten Daten stellte sich heraus,<br />
daß es sich um nicht korrigierte Nie<strong>der</strong>schlagsdaten handelt. Da für die Berechnung<br />
<strong>der</strong> Grundwasserneubildung mittels unterschiedlicher Verfahren sowohl unkorrigierte<br />
als auch korrigierte Nie<strong>der</strong>schlagshöhen benötigt werden, wurden zusätzlich<br />
korrigierte Nie<strong>der</strong>schlagsdaten <strong>der</strong> Zeitreihe 1961-1990 vom DWD angefor<strong>der</strong>t. Die<br />
Zeitreihe <strong>der</strong> unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlagsdaten von 1975-1995 wurde durch Monatswerte<br />
<strong>der</strong> Zeitreihe 1961-1974 ergänzt. Die Monatswerte wurden aus den meteorologischen<br />
Jahrbüchern entnommen. Des weiteren wurde, für abflußrelevante Nie<strong>der</strong>schlagsstationen,<br />
die unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlagszeitreihen bis Oktober 1998<br />
ergänzt. Die Datengrundlage <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsdaten nach Datensichtung und Komplettierung<br />
ist in Tabelle 5 aufgeführt.<br />
Tabelle 5: Auflistung <strong>der</strong> verfügbaren Nie<strong>der</strong>schlagsdaten<br />
Art <strong>der</strong><br />
Nie<strong>der</strong>chlagsdaten<br />
Zeitreihe Auflösung<br />
Anzahl <strong>der</strong><br />
Stationen<br />
korrigiert 1961-1990 monatlich 28<br />
unkorrigiert 1961-1995 monatlich 24<br />
unkorrigiert 1961-1998 monatlich 13<br />
unkorrigiert 1975-1995 täglich 28<br />
Potentielle Evapotranspiration<br />
Für die verdunstungsklimatische Beschreibung <strong>der</strong> Untersuchungsgebiete werden<br />
die von dem DWD zur Verfügung gestellten Datenreihen <strong>der</strong> potentiellen Verdunstungshöhe<br />
nach HAUDE (1954) und Turc-Ivanov herangezogen, die die Zeitreihe<br />
1961-1990 in monatlicher Auflösung abdecken. Die potentielle Verdunstung nach<br />
HAUDE (1954) liegt für sieben Stationen, die nach dem Turc-Ivanov-Verfahren für<br />
zehn Klimastationen, im erweiterten Untersuchungsraum vor (vgl. Anhang 1.1). Die<br />
Überprüfung <strong>der</strong> Stationen hinsichtlich ihrer Repräsentanz und Homogenität wurde<br />
vom DWD durchgeführt und bestätigt (KLÄMT, 1998).<br />
Unter den Wetterstationen weisen Hamburg-Fuhlsbüttel, Eutin, Boizenburg und Travemünde<br />
vollständige Zeitreihen auf. Für die übrigen Stationen erfolgte seitens<br />
DWD’s eine Ergänzung <strong>der</strong> Meßreihen (vgl. Tabelle 6). Hierzu wurden die unvollständigen<br />
Datenreihen mit kompletten repräsentativen Datenreihen korreliert und<br />
Regressionsanalysen durchgeführt. Die Wetterstation Lübeck erfuhr im Untersuchungszeitraum<br />
eine Stationsumlegung, welche zu deutlichen Inhomogenitäten in<br />
den Zeitreihen <strong>der</strong> Verdunstungsgrößen führte. Für die Berechnung wurde <strong>der</strong> neuere<br />
Stationsort Lübeck-Blankensee mit statistisch ergänzter Zeitreihe (1961-1984)<br />
gewählt. Diese Wetterstation besitzt eine bessere Repräsentativität für die verdunstungsklimatischen<br />
Bedingungen <strong>der</strong> ländlichen Region des Untersuchungsgebietes.
Tabelle 6: Wettterstationen des Gesamtunters uchungsgebietes<br />
Station Zeitreihe<br />
Wahlstedt Apr.1981-Dez.1990<br />
Bad Segeberg Jan.1951-Jun.1973<br />
Eutin Jan.1961-Dez.1990<br />
Boizenburg Jan.1961-Dez.1990<br />
Hamburg-Reitbrook Jun.1978-Apr.1988<br />
Ahrensburg-Wulfsdorf Jan.1973-Dez.1990<br />
Lübeck (Wst) Mär.1950-Feb.1985<br />
Lübeck-Blankensee (Wst) Mär.1985-Dez.1990<br />
Travemünde Jan.1961-Dez.1990<br />
Mölln Jul.1975-Sep.1984<br />
Reale (tatsächliche) Evapotranspiration<br />
Die Berechnung <strong>der</strong> realen Evapotranspiration wurde vom DWD durchgeführt und<br />
steht für fünf Klimastationen (vgl. Anhang 1.1) in monatlicher Auflösung für den Zeitraum<br />
von 1961/90 zur Verfügung. Berechnet wurden acht Bodenarten in Kombination<br />
mit den vier Bewuchsarten Acker, Grünland, Nadelwald und Laubwald. Die Überprüfung<br />
<strong>der</strong> Datenkonsistenz und –güte wurde vom DWD vorgenommen.<br />
3.1.2 Datengüte und -bearbeitung<br />
Die Sicherstellung <strong>der</strong> Datengüte ist eine sehr zeitintensive und mühsame Arbeit, die<br />
aber als Grundvoraussetzung für alle weiteren Berechnungen gelten muß. Die Kontrolle<br />
<strong>der</strong> Datengüte dient dazu, fehlerhafte Einzelwerte (Ausreißer) zu entdecken.<br />
Diese können aufgrund von verän<strong>der</strong>ten Meßbedingungen in <strong>der</strong> jeweiligen Station,<br />
durch Lageverän<strong>der</strong>ung des Nie<strong>der</strong>schlagsmessers, durch verän<strong>der</strong>te Horizontabdachung,<br />
systematische Ablesefehler o<strong>der</strong> an<strong>der</strong>e, von <strong>der</strong> realen Nie<strong>der</strong>schlagshöhe<br />
unabhängigen Faktoren hervorgerufen werden (JELINEK, 1999a). Bei <strong>der</strong> Datenüberprüfung<br />
kommen sowohl einfache visuelle Kontrollen (Durchsicht <strong>der</strong> Datensätze) als<br />
auch statistische Verfahren (Variationsbreite, Standardabweichung) zur Anwendung.<br />
Eine gute Möglichkeit <strong>der</strong> Kontrolle bietet die räumliche Abbildung <strong>der</strong> Standardabweichung<br />
(RAPP & SCHÖNWIESE, 1996). Hierbei fallen fehlerhafte Meßreihen dadurch<br />
auf, daß ihre Standardabweichungen außerhalb des Wertebereiches <strong>der</strong> an<strong>der</strong>en<br />
liegen und als lokale Maxima hervorstechen. Eine weitere Möglichkeit <strong>der</strong> Homogenitätsprüfung<br />
bietet das Doppelsummenlinien-Verfahren, bei dem die kumulierten<br />
Jahreswerte <strong>der</strong> einzelnen Stationen gegen das kumulierte Gesamtmittel aller Stationen<br />
aufgetragen wird (MANIAK, 1998). Bei einer homogenen Datenreihe ergibt sich<br />
ein aufsteigen<strong>der</strong> Linienzug, <strong>der</strong> im Idealfall durch eine Gerade beschrieben wird.<br />
Umkehrt weisen signifikante Abweichungen von einer Geraden, innerhalb <strong>der</strong> aufgetragenen<br />
Doppelsummenlinie, auf Inhomogenitäten hin. Ist dies <strong>der</strong> Fall, müssen die<br />
Daten korrigiert o<strong>der</strong> eliminiert werden.<br />
35
36<br />
Repräsentanz<br />
Für den Untersuchungsraum sollen nie<strong>der</strong>schlags- und verdunstungsklimatisch repräsentative<br />
Stationen exemplarisch vorgestellt werden. Hierzu wird eine Repräsentanzanalyse<br />
durchgeführt, die darstellt, inwieweit die zeitliche Schwankungsstruktur<br />
<strong>der</strong> betrachteten Station, stellvertretend für das Gesamtuntersuchungsgebiet stehen<br />
kann. Zur Erfassung <strong>der</strong> Repräsentanz eignet sich die Betrachtung <strong>der</strong> räumlichen<br />
Verteilung des zweidimensionalen, linearen Produkt-Moment-Korrelationskoeffizienten<br />
r nach Pearson (Korrelationskoeffizient). Der Korrelationskoeffizient gibt<br />
die Ähnlichkeit zweier Zeitreihen ai und bi an,<br />
r =<br />
∑<br />
∑<br />
( ai −a)( bi − b)<br />
( a −a) ( b −b)<br />
2 2<br />
i i<br />
mit -1 < r < 1,<br />
wobei a und b die Mittelwerte <strong>der</strong> Zeitreihen sind. Eine ausreichende Repräsentanz<br />
einer Zeitreihe liegt nach RAPP & SCHÖNWIESE (1996) bei einem Korrelationskoeffizienten<br />
von r= 0,7 für Monatssummen des Nie<strong>der</strong>schlages vor, was etwa <strong>der</strong> halben<br />
gemeinsamen Varianz entspricht.<br />
Trendanalyse<br />
Für die Beurteilung <strong>der</strong> zeitlichen Variabilität werden die Daten statistisch ausgewertet<br />
und einer Trendanalyse unterzogen. Hierbei beschreibt die Trendanalyse die<br />
Verän<strong>der</strong>ung eines Klimaelementes innerhalb eines bestimmten Zeitraumes. Die<br />
Möglichkeiten eine Trendanalyse durchzuführen sind vielfältig (SACHS, 1993;<br />
SCHÖNWIESE, 1992). Der lineare Trend als Berechnungsmöglichkeit hat zum einen<br />
den Vorteil, daß er in <strong>der</strong> Klimatologie weit verbreitet und deshalb vergleichbar, zum<br />
an<strong>der</strong>en leicht zu berechnen ist. Bei <strong>der</strong> linearen Trendanalyse wird durch eine Zeitreihe<br />
ai, <strong>der</strong> Länge n (z.B. n = Jahre) eine Regressionsgerade nach <strong>der</strong> Methode <strong>der</strong><br />
kleinsten Quadrate gelegt,<br />
âi = A + B ti<br />
worin âi die Ordinatenwerte <strong>der</strong> Regressionsgeraden zu den Zeitpunkten ti bedeuten<br />
und A bzw. B die Regressionskoeffizienten sind. Der lineare Trend (Tr) ist dann definiert<br />
als Differenz zwischen dem Endwert ân zum Zeitpunkt tn und dem Anfangswert<br />
â1 zum Zeitpunkt t1 (vgl. Abbildung 9):<br />
Tr= ân - âi
Abbildung 9 : Schematisierte Darstellung einer linearen Trendanalyse, Erläuterungen im Text<br />
(nach RAPP & SCHÖNWIESE, 1996)<br />
Bei mengenabhängigen Klimaelementen (wie z.B. <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagssumme) ist die<br />
Einführung eines „relativen Trends“, also eine Normierung, zweckmäßig. Dies ermöglicht<br />
den direkten Vergleich von Zeitreihen mit unterschiedlichen Mittelwerten.<br />
Dies ist insbeson<strong>der</strong>e dann notwendig, wenn zwischen den Lagen <strong>der</strong> einzelnen<br />
Meßstationen große Reliefunterschiede liegen, da die mittlere Nie<strong>der</strong>schlagssumme<br />
stark höhen- und orographieabhängig ist. Eine Möglichkeit <strong>der</strong> Normierung ist die<br />
prozentuale Angabe des absoluten Trends am Mittelwert, also:<br />
absoluterTrend<br />
relativerTrend[%]<br />
= ⋅100<br />
Mittelwert<br />
Neben <strong>der</strong> Homogenitäts- und Repräsentanzanalyse <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagswerte, wir die<br />
räumliche Verteilung des Gebietsnie<strong>der</strong>schlages benötigt (SCHILLING & HARMS, 1983),<br />
um eine flächendifferenzierte Berechnung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> durchzuführen.<br />
Geostatistische Methoden zur Regionalisierung punktueller Daten<br />
Zur Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> Grundwasserneubildung ist es notwendig,<br />
aus den punktuell erhobenen Klimagrößen (Nie<strong>der</strong>schlag, Evapotranspiration) Gebietswerte<br />
abzuleiten. Die Methodik <strong>der</strong> Regionalisierung reicht von einfacher Mittelbildung<br />
bis zur Anwendung räumlicher Polynome . Nähere Hinweise über Methodik<br />
und Fehler sind u.a. den Arbeiten von GIESECKE & MEYER (1983) und MENDEL (1977)<br />
zu entnehmen. Welche Methodik für einen vorgegebenen Anwendungszweck am<br />
37
38<br />
geeignetsten ist, wird u.a. durch folgende Kriterien bestimmt: Gebietsgröße, Zahl und<br />
Repräsentanz <strong>der</strong> Stationen, Anfor<strong>der</strong>ung an die Genauigkeit <strong>der</strong> Ergebnisse und<br />
Arbeitsaufwand (KLEEBERG & CEMUS, 1992).<br />
Voraussetzung für die Regionalisierung von Daten ist, daß zwischen den einzelnen<br />
punktförmigen Informationen ein räumlicher Zusammenhang, d.h. eine räumliche<br />
Erhaltungsneigung besteht. Der räumliche Zusammenhang kann durch die Variogrammanalyse<br />
überprüft werden. Durch die Variogrammanalyse wird die räumliche<br />
Variabilität (autokorrelative Verhalten) einer ortsabhängigen Variabel quantitativ beschrieben<br />
(DELFINER, 1976; MATHERON, 1965). Weitere Ausführungen finden sich bei<br />
AKIN & SIEMES (1988), DAVIS (1973), JOURNEL (1989) UND SCHAFMEISTER (1999).<br />
Die meisten statistischen Verfahren legen eine Normal- bzw. Log-Normalverteilung<br />
zugrunde, die insbeson<strong>der</strong>e bei <strong>der</strong> Mittelbildung wichtig ist. Aus diesem Grunde ist<br />
die Kenntnis <strong>der</strong> Verteilungsfunktion <strong>der</strong> ortsabhängigen Variablen grundlegende<br />
Voraussetzung für die Modellierung.<br />
Das experimentelle Variogramm wird durch die Funktion γ( r h ) beschrieben, die die<br />
Varianz <strong>der</strong> Meßwerte zwischen Punktepaaren schätzt:<br />
r<br />
γ( h)<br />
=<br />
1<br />
2<br />
n( h)<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
r 2<br />
{ [ zx ( i) − zx ( i + h)<br />
] }<br />
r<br />
nh ( )<br />
n( r h ): Anzahl <strong>der</strong> Probenpaare im Abstand h<br />
z(xi)): Wert <strong>der</strong> Variablen am Punkt xi z(xi+h): Wert <strong>der</strong> Variablen am Punkt xi+ r h<br />
Die Punktepaare ergeben sich dabei aus <strong>der</strong> Kombination aller Meßwerte miteinan<strong>der</strong>.<br />
Um Streuungen kontrolliert einzuschränken, wird für die Punktepaare mit etwa<br />
gleichem Abstand sowohl ein Mittelwert <strong>der</strong> Varianzen als auch <strong>der</strong> Entfernung gebildet.<br />
Die errechneten Variogrammwerte werden gegen den Abstand h aufgetragen.<br />
Die sich ergebende Kurve beschreibt quantitativ die räumliche Variabilität <strong>der</strong> Variablen.<br />
Die entstehenden Kurven <strong>der</strong> räumlichen Variabilitätsstrukturen (Variogrammtypen)<br />
können durch statistische Verteilungsfunktionen o<strong>der</strong> mathematische Modellfunktionen<br />
beschrieben werden. Als Modellfunktionen haben sich die lineare, exponentielle,<br />
sphärische und die Gauß’sche Modellfunktion bewährt (Bundesanstalt,<br />
1997). Jede Modellfunktion wird durch die Parameter Reichweite (range), den<br />
Schwellenwert <strong>der</strong> Varianz (sill) und die Grundvarianz (nugget-effect) beschrieben<br />
(DVWK, 1990). Abbildung 10 stellt diese Kennwerte dar. Durch Verän<strong>der</strong>ungen dieser<br />
Parameter wird das Modell solange modifiziert, bis die Modellfunktion hinreichend<br />
genau mit den experimentellen Variogrammwerten übereinstimmt (ZABEL ET
AL., 1994). Über das Verhältnis von <strong>der</strong> Grundvarianz zum Schwellenwert <strong>der</strong> Varianz<br />
lassen sich Aussagen über die Trennung von lokaler, zufälliger Information und<br />
regionaler Information treffen. Die Grundvarianz beschreibt den zufälligen (lokalen)<br />
Anteil, <strong>der</strong> aufgrund von Meßungenauigkeiten, verän<strong>der</strong>lichen Meßbedingungen,<br />
zeitlichen Variationen etc. auftritt. Der Schwellenwert beschreibt die maximale Varianz<br />
von Meßwerten, zwischen denen aufgrund des Abstandes kein Zusammenhang<br />
mehr besteht. Der Varianzanstieg vom Nuggeteffekt zum Sill charakterisiert das regionale<br />
Verhalten. Die Reichweite gibt die Distanz an, ab <strong>der</strong> die Meßwerte nicht<br />
mehr korrelierbar sind. Ein räumlicher Zusammenhang liegt dann vor, wenn die<br />
Grundvarianz für einen bestimmten Entfernungsbereich kleiner ist als <strong>der</strong> Schwellenwert.<br />
Nur in diesem Fall ist eine Regionalisierung sinnvoll.<br />
Abbildung 1 0: Schematisierte Darstellung eines Variogrammes. Auf <strong>der</strong> Abszisse ist die mittlere Entfernung zwischen den Punktepaaren, auf <strong>der</strong> Ordinate die zu gehörigen mittlere Varianz, dargestellt aus DVWK (1982)<br />
Enthält das Variogramm keine Hinweise auf eine räumlichen Zusammenhang, so<br />
kann dies u.a. an stark richtungsabhängigen räumlichen Zusammenhängen liegen.<br />
Um solche Anisotropien im Untersuchungsgebiet zu erfassen, ist es nötig, mit richtungsorientierten<br />
Variogrammen zu arbeiten. Hierbei wird für verschiedene Richtungen<br />
ψi eine Suchellipse durch den Öffnungswinkel δ, die Schrittweite und die Tolranz<br />
ϕ ± d definiert (vgl. Abbildung 11). Alle Punkte, die in das Segment δ ± ψ und ϕ ± d<br />
fallen, werden vom Punkt xi, <strong>der</strong> Richtung ψi und dem Abstand h als ein Punkt xi+h zugeordnet.<br />
39
40<br />
x i<br />
ψ i<br />
h<br />
+δψ<br />
-δψ<br />
-ϕd<br />
+ϕd<br />
χ i+h<br />
Abbildung 11: Schematische Darstellung <strong>der</strong> Parameter zur Berechnung eines richtungsorientierten<br />
Variogrammes<br />
Eine räumliche anisotrope Struktur <strong>der</strong> Eingangsvariablen liegt dann vor, wenn die in<br />
unterschiedliche Richtungen berechneten Variogramme durch deutlich verschiedene<br />
Kurvenverläufe charakterisiert werden.<br />
Die Güte des theoretischen Variogrammes wird durch Kreuzprüfung (cross validation)<br />
überprüft. Dabei wird ein Punkt nach dem an<strong>der</strong>en des urspünglichen Datensatzes,<br />
weggelassen und mit Hilfe des Variogrammodelles und des Punktkrigings<br />
geschätzt. Die Differenz zwischen den gemessenen Probenwerten z(xi) und den geschätzten<br />
Werten z‘(xi) wird für jeden einzelnen Punkt berechnet, quadriert und durch<br />
die Krige-Schätzvarianzen für jeden Punkt dividiert. Eine gute Anpassung des Variogrammes<br />
liegt vor, wenn die kleinste Abweichung vom Mittelwert Null und für die<br />
Standardabweichung 1 beträgt (AKIN & SIEMES, 1988).<br />
Die durch die Variographie ermittelte Modellfunktion geht als Grundlage in das Kriging-Verfahren<br />
ein. Das Kriging-Verfahren ermöglicht eine Interpolation raumvariater<br />
Strukturen, d.h. eine Prognose <strong>der</strong> tatsächlichen Werte für Raumeinheiten (Flächen),<br />
an denen keine direkte Feldmessung vorliegt. Dabei wird ein gleiten<strong>der</strong>, gewichteter<br />
Mittelwert benachbarter Probenpunkte gebildet. Die Gewichte werden mit Hilfe des<br />
Variogramm-Modelles so bestimmt, daß <strong>der</strong> Schätzfehler (σn) minimiert wird. Ein<br />
Vorteil des Krige-Verfahrens liegt darin, daß man neben dem Schätzwert auch die<br />
Schätzstandardabweichung erhält und dadurch die Zuverlässigkeit <strong>der</strong> Ergebnisse<br />
beschreiben kann. Dadurch können Gebiete ausgewiesen werden an denen die Datendichte<br />
ungenügend erscheint. MARTINEZ-COB (1996) beschreibt die gute Anwendbarkeit<br />
unterschiedlicher Kriging-Methoden für die Regionalisierung von klimatischen<br />
Größen.<br />
Die Variogrammanalyse und die darauf aufbauende Regionalisierung mittels Punktkriging<br />
kann nur durchgeführt werden, wenn eine engmaschiges Meßnetz vorhanden<br />
ist. Ist dies nicht <strong>der</strong> Fall müssen an<strong>der</strong>e Regionalisierungsverfahren zum Einsatz
kommen. Eine Möglichkeit <strong>der</strong> Regionalisierung klimatologischer Daten bietet z.B.<br />
das THIESSEN-Polygon-Verfahren (DVWK, 1996; HÖLTING, 1992; LIEBSCHER, 1970).<br />
Dazu werden die Meßstationen gemäß ihren geographischen Koordinaten in einem<br />
geeigneten Maßstab aufgetragen und durch einen Linienzug verbunden. Auf den<br />
Verbindungslinien <strong>der</strong> Meßstellen werden anschließend die Mittelsenkrechten konstruiert<br />
(vgl. Abbildung 12). Dieses Verfahren ist in Gebieten mit stärkerem Oberflächenrelief<br />
nicht geeignet, kann aber aufgrund <strong>der</strong> geringen Reliefunterschiede im<br />
Untersuchungsgebiet Südost-Holstein angewendet werden. Sämtliche mittleren Verdunstungshöhen<br />
wurden auf diese Weise regionalisiert.<br />
Station 4<br />
F4<br />
Station 3<br />
F3<br />
Station 2<br />
Abbildung 12: Konstruktion von Thiessenpolygonen; F1-F4 = zugehörige<br />
Flächenanteile<br />
F1<br />
Station 1<br />
F2<br />
41
42<br />
3.2 Abfluß<br />
Räumliche Verteilung <strong>der</strong> Abflußmeßstellen<br />
Im Untersuchungsraum Südost-Holstein liegen die Daten von 16 gewässerkundlichen<br />
Pegelanlagen vor. Teile des Untersuchungsgebietes befinden sich nicht innerhalb<br />
<strong>der</strong> oberirdischen Einzugsgebiete dieser Meßstellen (vgl. Abbildung 13).<br />
Ammersbek<br />
Nor<strong>der</strong>Beste<br />
Bredenbek<br />
Glin<strong>der</strong><br />
Au<br />
se<br />
Freie und Hansestadt<br />
Hamburg<br />
Elbe<br />
Glin<strong>der</strong> Au<br />
Neritz<br />
Bunsbach<br />
Rehagen<br />
Au<br />
Hopfenbach<br />
Wand<br />
Wandse<br />
Quellental<br />
Bünningstedt<br />
Beste<br />
Corbek<br />
Sachsenwaldau<br />
Reinbek<br />
Sulsbek<br />
Bille<br />
Sch<br />
w<br />
arze<br />
Nie<strong>der</strong>sachsen<br />
0 5 10km<br />
Quellental<br />
2<br />
Mühlenbach<br />
Barnitz<br />
Fribek<br />
Au<br />
Aumühle<br />
Linau<br />
Bille<br />
Hamfelde<br />
Au<br />
Kühlenbach<br />
Schiebenitz<br />
Stein<br />
Lütau<br />
graben<br />
Trave<br />
Nusse<br />
au<br />
Duvenseeb ach<br />
Mühlenbek<br />
Linau<br />
Augraben<br />
Stegnitz<br />
Grienau<br />
Ziegelhof<br />
Steinau<br />
Lübeck - Kanal<br />
Elbe -<br />
Priesterbach<br />
Breitenfelde<br />
Pötrau<br />
Witzeeze<br />
Mecklenburg-<br />
Vorpommern<br />
Abbildung 13: Abflußmeßstellen und <strong>der</strong>en oberirdische Einzugsgebiete in Südost-<br />
Holstein (aus OTTO, 1997).
In <strong>der</strong> Tabelle 7 sind die im Untersuchungsgebiet betriebenen, gewässerkundlichen<br />
Pegelanlagen mit <strong>der</strong> Größe des oberirdischen Einzugsgebietes und den Hoch- und<br />
Rechtswerten verzeichnet.<br />
Tabelle 7: Abflußmeßstellen im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein. Die Hochwerte und Rechtswerte<br />
sind im Gauß-Krüger Koordinatensystem angegeben. Eo: Einzugsgebiet (oberirdisch)<br />
Standort Gewässer HW RW<br />
Eo-größe<br />
[km 2 ]<br />
Aumuehle Schwarze Au 5952470 3586740 83,9<br />
Breitenfelde Priesterbach 5942300 4410680 32,8<br />
Buenningstedt Hunnau 5952470 3580400 64,0<br />
Hamfelde Bille 5942530 3595040 66,5<br />
Luetau Linau 5923940 4403130 56,2<br />
Luetau Augraben 5923530 4402710 34,1<br />
Neritz Nor<strong>der</strong>beste 5962180 3585380 48,0<br />
Nusse Steinau 5948550 4406000 75,2<br />
Poetrau Steinau 5928130 4408040 92,3<br />
Quellenthal Beste 5963560 3589530 89,0<br />
Quellenthal 2 Barnitz 5963500 3590240 58,8<br />
Rehagen Bunsbach 5953660 3579060 30,1<br />
Reinbek Bille 5931160 3582400 28,1<br />
Sachsenwaldau Bille 5935330 3586220 156,5<br />
Witzeeze Linau 5925610 4407020 15,7<br />
Ziegelhof Grinau 5964820 4406920 32,5<br />
Von den 1290 km 2 des Untersuchungsgebietes liegen ca. 300 km 2 außerhalb <strong>der</strong><br />
oberirdischen Einzugsgebiete gewässerkundlicher Pegelanlagen. Im Süden entwässern<br />
Teile des Untersuchungsgebietes direkt in die Elbe o<strong>der</strong> unterstromig des Pegels<br />
Reinbek in die Bille. Im Osten des Untersuchungsgebietes dient <strong>der</strong> Elbe-<br />
Lübeck-Kanal <strong>der</strong> Vorflut. In diesen Bereichen sind keine hydrologischen Daten verfügbar.<br />
Das oberirdische Einzugsgebiet des Pegels Neritz/Nor<strong>der</strong>beste liegt zum<br />
größten Teil außerhalb des Untersuchungsgebietes.<br />
Westlich des Untersuchungsraumes werden vom gewässerkundlichen Dienst Hamburg<br />
weitere Pegel betrieben, <strong>der</strong>en oberirdische Einzugsgebiete in den Untersuchungsraum<br />
hineinreichen. Die Ergebnisse <strong>der</strong> von OTTO (1997) durchgeführten<br />
Auswertungen dieser Pegel konnten bei <strong>der</strong> statistischen Analyse <strong>der</strong> Abflüsse nicht<br />
berücksichtigt nicht berücksichtigt werden, da we<strong>der</strong> <strong>der</strong> Beobachtungszeitraum<br />
noch die Auswertemethode gleich sind.<br />
Die Beobachtungszeiträume <strong>der</strong> Abflußmeßstellen<br />
Die im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein betriebenen Abflußmeßstellen haben<br />
unterschiedliche Beobachtungszeiträume. Von einigen Pegeln liegen Abflußdaten ab<br />
1971 vor, die meisten jedoch werden seit 1985 betrieben (Abbildung 14).<br />
43
44<br />
POETRAU STEINAU<br />
NUSSE STEINAU<br />
AUMUEHLESCHWARZE AU<br />
BREITENFELDE PRIESTERBACH<br />
LUETAU AU-GRABEN<br />
NERITZ NORDERBESTE<br />
WITZEEZE LINAU<br />
LUETAU LINAU<br />
BUENNINGSTEDT HUNNAU<br />
ZIEGELHOF GRINAU<br />
REHAGEN BUNSBACH<br />
SACHSENWALDAU BILLE<br />
REINBEK BILLE<br />
HAMFELDE BILLE<br />
QUELLENTHAL BESTE<br />
QUELLENTHAL BARNITZ<br />
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000<br />
Abbildung 14: Beobachtungszeiträume <strong>der</strong> Abflußmeßstellen in Südost-Holstein<br />
Bei <strong>der</strong> statistischen Auswertung <strong>der</strong> Gewässerkundlichen Hauptzahlen ist ein ausreichend<br />
langer Beobachtungszeitraum Voraussetzung, um repräsentative Aussagen<br />
treffen zu können. KILLE (1970) schlägt vor, mindestens zehnjährige Zeitreihen zu<br />
verwenden. Die Weltmeteorologische Organisation (WMO) schlägt einen Mindestbeobachtungszeitraum<br />
<strong>der</strong> Klimagrößen von 30 Jahren vor, um die hohe zeitliche Variabilität<br />
zu erfassen. Da die zeitliche Variabilität des Abflusses abhängig von den<br />
klimatischen Parametern ist, müßten die gleichen statistischen Anfor<strong>der</strong>ungen an die<br />
Beobachtungszeiträume zur repräsentativen Auswertung von Abflußdaten gestellt<br />
werden. Die For<strong>der</strong>ung nach einem mindestens zehnjährigen Betrachtungszeitraum<br />
stellt einen Kompromiß zwischen <strong>der</strong> vorhandenen Datenlage und den statistischen<br />
Erfor<strong>der</strong>nissen dar.<br />
Im Rahmen <strong>der</strong> Untersuchungen werden die Abflußcharakteristika verschiedener<br />
Einzugsgebiete miteinan<strong>der</strong> verglichen. Es ist notwendig die Ergebnisse <strong>der</strong> Auswertung<br />
gleicher Beobachtungszeiträume zu betrachten, um einen Einfluß unterschiedlicher<br />
meteorologischer Bedingungen auszuschließen. In <strong>der</strong> Abbildung 14<br />
wird augenscheinlich, daß sich im Bereich Südost-Holstein am besten <strong>der</strong> Zeitraum<br />
zwischen den hydrologischen Jahren 1985 und 1998 eignet. In diesem Zeitraum liegen<br />
von 12 Abflußmeßstellen vollständige vierzehnjährige Zeitreihen vor.<br />
3.2.1 Separation des Basis- und des Direktabflusses<br />
Das Prinzip <strong>der</strong> Separation <strong>der</strong> Abflußkomponenten aus dem Gesamtabfluß beruht<br />
bei vielen Verfahren auf den unterschiedlichen Verweilzeiten <strong>der</strong> Abflußkomponenten<br />
im Einzugsgebiet (vgl. Kap. 2.1.3). Einen Überblick über die gebräuchlichsten
Verfahren bieten eine Vielzahl an Autoren (DYCK, 1978; LILLICH, 1970; MATTHEß &<br />
UBELL, 1983; NATERMANN, 1958; WUNDT, 1958). Durch die nachfolgend beschriebenen<br />
Verfahren ist eine Trennung des Gesamtabflusses in Basis- und Direktabfluß<br />
möglich.<br />
Das MoMNQ – Verfahren (WUNDT, 1958)<br />
Die Datenbasis des Verfahrens bilden die gewässerkundlichen Hauptzahlen mehrerer<br />
aufeinan<strong>der</strong> folgen<strong>der</strong> Jahre. Diese sind den gewässerkundlichen Jahrbüchern zu<br />
entnehmen. Für die Berechnungen werden die monatlichen Niedrigwasserabflüsse<br />
(MoNQ) und die monatlichen Mittelwasserabflüsse herangezogen (MoMQ, entspricht<br />
dem Gesamtabfluß). Aus den Monatsabflußwerten werden Mittelwerte (MoMNQ,<br />
MoMMQ) gebildet (arithmetisches Mittel <strong>der</strong> einzelnen Monate).<br />
Grundlage des Verfahrens ist die Annahme, daß <strong>der</strong> MoMNQ im untersuchten Einzugsgebiet<br />
im wesentlichen aus dem Grundwasser stammt. Die Differenz zwischen<br />
dem Gesamt- und dem Basisabfluß entspricht dem Direktabfluß. Aufgrund des statistischen<br />
Ansatzes des Verfahrens ist eine Aussage über einzelne hydrologische Jahre<br />
nicht möglich. Der Mindestbeobachtungszeitraum sollte 10 Jahre nicht unterschreiten<br />
(KILLE, 1970).<br />
WUNDT (1958) ermittelte in Gebirgsregionen relativ hohe MoNQ-Werte. Er deutete<br />
dies als die Folge zu kurzer nie<strong>der</strong>schlagsfreier Zeiträume, so daß <strong>der</strong> MoNQ Anteile<br />
von Oberflächenabfluß beinhaltet. WUNDT (1958) ermittelte für Einzugsgebiete im<br />
Alpenraum nicht plausible Basisabflüsse. Er erklärte die zu hohen Werte mit dem<br />
Auftreten von Zwischen- und Oberflächenabfluß in den Niedrigwasserabflüssen. Als<br />
Grenzwert gibt er ca. 200 mm/a an. KILLE (1970) entwickelte das Verfahren von<br />
WUNDT (1958) weiter. Er beschrieb Oberflächenabflußanteile am MoNQ vor allem in<br />
Mittelgebirgsregionen Hessens. Diese Anteile werden in einem graphischen Verfahren<br />
abgetrennt und <strong>der</strong> grundwasserbürtige Anteil ermittelt.<br />
Im Gesamteinzugsgebiet <strong>der</strong> oberen Stör wurden Oberflächen- und Zwischenabflüsse<br />
im Vorfluter bis ca. 3 Tage nach dem Nie<strong>der</strong>schlagsereignis beobachtet (JELINEK<br />
1999a). Das bedeutet, daß nach 3 nie<strong>der</strong>schlagsfreien Tagen <strong>der</strong> Abfluß im wesentlichen<br />
aus dem Grundwasser stammt. Diese Ergebnisse lassen sich aufgrund <strong>der</strong><br />
räumlichen Nähe und vergleichbarer Randbedingungen auf das Untersuchungsgebiet<br />
übertragen. Es ist davon auszugehen, daß unter den gegebenen klimatischen<br />
Verhältnissen, selbst in nie<strong>der</strong>schlagsreichen Monaten, <strong>der</strong> MoNQ dem Basisabfluß<br />
entspricht. STRUCKMEIER (1990) bestätigt anhand von Untersuchungen im Münsterlän<strong>der</strong><br />
Becken, daß im Flachland <strong>der</strong> Anteil an Oberflächenabfluß in den MoNQ vernachlässigbar<br />
gering ist. Das Verfahren nach WUNDT (1958) ist deshalb für die Aufteilung<br />
des Gesamtabflusses in Basis- und Direktabfluß im Untersuchungsraum geeignet.<br />
45
46<br />
Im Unterschied zum Au-Linien Verfahren berücksichtigt das MoMNQ – Verfahren<br />
nicht, daß es unter einem Abflußpeak ein Anstieg des Basisabflusses erfolgt (vgl.<br />
Abbildung 15). Dieser Anstieg des Basisabflusses konnte durch isotopenhydrochemische<br />
Untersuchungen nachgewiesen werden (VON LOEWENSTERN, 1998).<br />
Das Au – Linien Verfahren (NATERNANN, 1951)<br />
Die Datenbasis des Au – Linien Verfahrens bilden Abflußganglinien aus täglichen<br />
Abflußdaten. Es ist ein einfach anzuwendendes, graphisches Verfahren. Unterhalb<br />
<strong>der</strong> Ganglinie wird zeichnerisch eine „Grundwelle“ konstruiert. Diese berührt, großzügig<br />
durchgehend, die unteren Punkte <strong>der</strong> Ganglinie. Die Grundwelle trennt den<br />
grundwasserbürtigen Abflußanteil vom Direktabfluß. Die Fläche zwischen <strong>der</strong> Abszisse<br />
und <strong>der</strong> Grundwelle wird planimetriert und daraus die Basisabflußmenge bestimmt.<br />
Beson<strong>der</strong>s problematisch ist die Konstruktion <strong>der</strong> Au – Linie bei längeren sich<br />
überlappenden Hochwasserabflüssen (Mattheß & Ubell, 1983). Analog zum MoMNQ<br />
– Verfahren enthalten in diesen Zeiträumen die Niedrigwasserabflüsse einen Anteil<br />
Oberflächenabfluß, <strong>der</strong> sich störend auswirkt. Die Au – Linie muß dann über weite<br />
Strecken „frei Hand“ geführt werden. Sie entspricht demnach einer willkürlichen<br />
Festlegung. Die betrachtete Zeitreihe sollte mindestens ein hydrologisches Halbjahr<br />
vollständig erfassen. Aussagen über einzelne hydrologische Jahre o<strong>der</strong> Halbjahre<br />
sind im Gegensatz zu dem MoMNQ – Verfahren möglich. Dies erlaubt detaillierte<br />
zeitliche Betrachtungen. Das Verfahren wurde 1958 verbessert (NATERMANN, 1958).<br />
Bei diesem erweiterten Verfahren werden zusätzlich Klimadaten herangezogen. Der<br />
erhebliche Mehraufwand ermöglicht die sicherere Konstruktion <strong>der</strong> Au – Linie auch<br />
unter Hochwasserwellen. Im Einzelfall ist zu prüfen, ob <strong>der</strong> Mehraufwand bezogen<br />
auf die Fragestellung sinnvoll ist.<br />
Das einfache Verfahren ist im Gegensatz zum MoMNQ – Verfahren geeignet, den<br />
Anstieg des Basisabflusses unter einem Ganglinienpeak abzubilden und somit den<br />
Basis- und den Direktabfluß hinreichend genau abzutrennen (MALLEN, 1994). Für die<br />
Untersuchungen im Raum Südost-Holstein ist es in seiner Aussagekraft ausreichend.<br />
Für das Jahr 1991:<br />
Ao-WUNDT 0,15 m3/s<br />
Au-WUNDT 0,25 m3/s<br />
Ao-NATERMANN 0,14 m3/s<br />
Au-NATERMANN 0,26 m3/s<br />
Abbildung 15: Separation <strong>der</strong> Abflußkomponenten nach den Au – Linien-Verfahren<br />
(NATERMANN 1951), hellgrau hinterlegt, und dem MoMNQ – Verfahren<br />
(WUNDT, 1958), dunkelgrau hinterlegt
3.3 Geologie und Bodenkunde<br />
3.3.1 Datengrundlage<br />
Datengrundlage zur Ableitung <strong>der</strong> notwendigen Bodeninformation sind bodenkundliche<br />
und geologische Karten im Maßstab 1 : 25 000.<br />
Während die geologischen Karten nahezu flächendeckend für das Untersuchungsgebiet<br />
vorliegen (16 Kartenblätter), stehen nur wenige bodenkundliche Karten zur<br />
Verfügung (3 Kartenblätter). Dies bedeutet, daß sämtliche Bodenkenngrößen für das<br />
Gesamtgebiet nur aus geologischen Karten abgeleitet werden können. Die Bearbeitung<br />
<strong>der</strong> bodenkundlichen Karten ermöglicht Vergleiche zwischen <strong>der</strong> Verwendung<br />
unterschiedlicher Datengrundlagen. Für weiterführende Arbeiten wurden zusätzlich<br />
ein bodenkundliches und drei geologische Kartenblätter bearbeitet, die den benachbarten<br />
östlichen Teil des Untersuchungsgebietes abdecken (vgl. Tabelle 8).<br />
Tabelle 8: Aufgenommene geologische und bodenkundliche (Jahreszahl fettgedruckt) Karten<br />
Kartenblatt Jahr Kartenblatt Jahr Kartenblatt Jahr<br />
2128 Bad Oldesloe 1935 2330 Mölln 1906 2628 Artlenburg 1900<br />
2129 Hamberge 1934 2427 Glinde 1912 2629 Lauenburg 1904, 1992<br />
2228 Eichede 1935 2428 Schwarzenbek 1911<br />
2229 Krumesse 1911 2429 Siebeneichen 1911, 1990<br />
2230 Ratzeburg 1903 2430 Gudow 1907, 1990<br />
2327 Ahrensburg 1912 2527 Bergedorf 1912<br />
2328 Trittau 1935 2528 Geesthacht 1911<br />
2329 Nusse 1911 2529 Büchen 1915, 1992<br />
3.3.2 Datenbearbeitung<br />
2227 Bargteheide; 1925<br />
(nach geol. Rein-<br />
Karte,ohne Kartenrandlegende)<br />
Die geologischen Karten stammen zum größten Teil aus <strong>der</strong> ersten Hälfte dieses<br />
Jahrhun<strong>der</strong>ts (vgl. Tabelle 8). Dies hat zur Folge, daß sie in unterschiedlichen Projektionen<br />
bzw. Gradeinteilungen vorliegen. Die meisten Karten stehen in Form von<br />
faltbaren Geländekarten zur Verfügung, welche für die handlichere Benutzung im<br />
Gelände segmentiert und auf Stoff geklebt wurden (vgl. Abbildung 16). Bevor die<br />
Karten in digitale Form übertragen werden können, müssen sie aus den genannten<br />
Gründen überarbeitet werden.<br />
47
48<br />
Geologische Karte<br />
Abbildung 16: Schematische Skizze des vorliegenden Kartenmaterials.<br />
Bei <strong>der</strong> graphischen Aufbereitung <strong>der</strong> geologischen Karten macht man sich zunutze,<br />
daß alle geologischen Karten trotz <strong>der</strong> unterschiedlichen Projektionen in ihrer Erstreckung<br />
deckungsgleich mit dem entsprechendem topographischen Kartenblatt<br />
sind (Gauß-Krüger Koordinatensystem). So dient die Ausdehnung des jeweiligen topographischen<br />
Kartenblattes als Rahmen. Durch Ausmessen <strong>der</strong> einzelnen Segmente,<br />
Erstellen eines Rahmens anhand <strong>der</strong> topographischen Karte, Auftragen des<br />
Rahmens und <strong>der</strong> Segmente auf Transparenzfolie, Eintragen von Paßpunkten und<br />
anschließende Abtragung <strong>der</strong> kartierten Einheiten auf die Folie werden die Karten<br />
zeichnerisch zusammengefügt und georeferenziert. Hierbei ist darauf zu achten, daß<br />
die Karten leicht trapezförmig sind, d.h. <strong>der</strong> untere Kartenrand ca. 1mm länger ist, als<br />
<strong>der</strong> obere. Dadurch ist eine Karte mit ihrem südlichen und nördlichen Nachbarblatt<br />
nicht deckungsgleich. Diese Problematik ergibt sich in östlicher und westlicher Richtung<br />
nicht.<br />
Die Arbeitsschritte glie<strong>der</strong>n sich wie folgt:<br />
Aufnahme <strong>der</strong> Segmentbreite/-höhe<br />
Einzelsegmente <strong>der</strong> geol. Karte<br />
Ausmessen <strong>der</strong> Segmente <strong>der</strong> geologische Karte: Die Breite wird pro Segment<br />
ca. 1 cm von <strong>der</strong> unteren und oberen Grenze entfernt gemessen, um Fehler aufgrund<br />
abgerundeter Kanten zu vermeiden. Die Höhe <strong>der</strong> Segmente wird an den<br />
beiden äußeren Segmenten ca. 1 cm vom jeweiligen Rand gemessen. Die<br />
Längen und Höhen <strong>der</strong> Segmente werden addiert und die Differenz zum Ausmaß<br />
<strong>der</strong> topographischen Karte festgestellt.<br />
Erstellen eines äußeren Rahmens auf <strong>der</strong> Folie anhand <strong>der</strong> topographischen<br />
Karte (Abbildung 17): Dieser wird so angelegt, daß die Innenseite des Rahmens<br />
die Grenze zur kartierenden Fläche bildet.
Festlegung <strong>der</strong> Segmente: Ergeben sich Differenzen zwischen <strong>der</strong> Summe <strong>der</strong><br />
Breiten bzw. Höhen <strong>der</strong> Segmente und <strong>der</strong> Ausmaße <strong>der</strong> topographischen Karte,<br />
wird ein Segment (o<strong>der</strong> mehrere bei größeren Unterschieden z.B. > 0,2 mm) vergrößert<br />
bzw. verkleinert. Die Punkte <strong>der</strong> Segmentbreiten werden auf den Rahmen<br />
aufgetragen und miteinan<strong>der</strong> verbunden.<br />
Eintragen <strong>der</strong> Paßpunkte aus topographischen Karte auf die Transparenzfolie:<br />
Die gewählten Paßpunkte zur Georeferenzierung sind die Ecken und Mittelpunkte<br />
einer Karte <strong>der</strong> Rahmenaußenlinien (geographische Koordinaten); falls vorhanden,<br />
die vier Kreuzungspunkte <strong>der</strong> UTM Koordinaten sowie die Gauß-Krüger-<br />
Koordinaten (vgl. Abbildung 17).<br />
Elemente auf <strong>der</strong> Folie<br />
Abbildung 17: Schematische Skizze <strong>der</strong> Transparentfolie mit den von <strong>der</strong> geologischen und<br />
topographischen Karte erhaltenen Elementen<br />
Eintragen <strong>der</strong> Grenzen <strong>der</strong> Kartiereinheiten: Die Hilfsrahmen werden auf die Segmente<br />
gelegt und die geologischen Grenzen eingetragen. Danach wird die Folie<br />
verschoben, so daß das nächste Segment an das erste anschließt.<br />
Nicht segmentierte Karten werden direkt auf Folie übertragen.<br />
Überführung in digitale Form<br />
Die im ersten Arbeitsschritt gewonnenen Folien werden auf einem DIN A0 Scanner<br />
gescannt, mit dem Programm ADOBE vektorisiert und in Arc/Info importiert. Es folgt<br />
die Säuberung, Überarbeitung und Georeferenzierung des jeweiligen Kartenblattes.<br />
Um digital auf die Flächeninformationen <strong>der</strong> geologischen und bodenkundlichen<br />
Karten zugreifen zu können, werden alle Signaturen <strong>der</strong> Kartenrandlegenden aufgenommen.<br />
Die Signaturen <strong>der</strong> geologischen und bodenkundlichen Karten erhalten<br />
eine spezifische Nummer. Diese besteht aus sieben Ziffern. Die ersten vier geben<br />
49<br />
Geographische Koordinaten<br />
UTM Koordinaten<br />
Gauß-Krüger Koordinaten<br />
Hilfsrahmen anhand <strong>der</strong> Einzelsegmentgröße<br />
(wird ausradiert)<br />
Äußerer Rahmen anhand <strong>der</strong> top. Karte<br />
(wird ausradiert)<br />
Grenze geologischer Einheiten
50<br />
die Nummer des Kartenblattes an. Die drei letzten Ziffern ergeben sich aus <strong>der</strong> Stellung<br />
<strong>der</strong> Signatur in <strong>der</strong> Kartenlegende. Die Erläuterung <strong>der</strong> Signatur sowie ihre<br />
Nummer werden in Tabellen festgehalten und in späteren Schritten ausgewertet. In<br />
Arc/Info wird den geologischen und bodenkundlichen Flächeneinheiten (Polygone) in<br />
<strong>der</strong> Polygon Attribute Table (PAT) die entsprechende siebenstellige Nummer zugeordnet<br />
(Attributierung).<br />
Fehler<br />
In den geologischen Karten sind teilweise kleine Fehler vorhanden. So sind nicht<br />
immer alle Sig-naturen in <strong>der</strong> Kartenrandlegende aufgeführt. Diese kleinen Flächen<br />
werden nach <strong>der</strong> Inaugenscheinnahme <strong>der</strong> Original-Karte <strong>der</strong> wahrscheinlichsten<br />
Kartenrandlegende zugeordnet. Für die geologische Skizze Bargteheide ist keine<br />
Kartenrandlegende verfügbar. Bei dieser Karte werden die geologischen Einheiten<br />
benachbarter Karten auf das Kartenblatt Bargteheide weiterverfolgt. Basierend auf<br />
den Anschlußkartenrandlegenden wurde für die Skizze eine Kartenrandlegende abgeleitet<br />
(MEYER ET AL., 1998b). Teilweise können geologische bzw. bodenkundliche<br />
Einheiten nicht über den gemeinsamen Kartenrand hinaus miteinan<strong>der</strong> verbunden<br />
werden. Es entstehen sogenannte Kartenrandverwerfungen. Dieser Fehler kann<br />
nicht behoben werden. Der zusammengefügte Kartenrand stellt infolgedessen einen<br />
Wechsel <strong>der</strong> geologischen Einheiten dar. Der sich aufgrund <strong>der</strong> zeichnerischen<br />
Übertragung des segmentierten Kartenmaterials ergebende Fehler liegt im Bereich<br />
<strong>der</strong> Zeichenungenauigkeit. Er wird auf 1 mm bis maximal 2 mm geschätzt. Eine größere<br />
Genauigkeit ist bei Kartenmaterial dieses Maßstabes nicht zu erwarten und genügt<br />
<strong>der</strong> Fragestellung vollkommen.<br />
3.4 ATKIS-Daten<br />
Das Amtlich-Topographisch-Kartographische Informationssystem (ATKIS), das von<br />
<strong>der</strong> Arbeitsgemeinschaft <strong>der</strong> Vermessungsverwaltungen <strong>der</strong> Län<strong>der</strong> (AdV) konzipiert<br />
worden ist, befindet sich seit 1992 im Aufbau. Es enthält einen bundeseinheitlichen<br />
Datenbestand <strong>der</strong> Struktur <strong>der</strong> Erdoberfläche (Topographie). Es befindet sich in den<br />
einzelnen Bundeslän<strong>der</strong>n in unterschiedlichen Ausbaustufen (EBBINGHAUS ET AL.,<br />
1996). ATKIS orientiert sich inhaltlich an <strong>der</strong> topographischen Karte 1 : 25 000<br />
(TK 25), wobei die Auflösegenauigkeit <strong>der</strong> Daten sehr hoch ist. ATKIS-Daten liefern<br />
Informationen über folgende Objektarten: Siedlungen, Gewässer, Relief, Verkehr und<br />
Vegetation.<br />
Das Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein stellte insgesamt<br />
110 ATKIS-Daten <strong>der</strong> ersten Ausbaustufe (DLM 25/1) zur Verfügung. Die Daten<br />
wurden bereits im Landesamt mit Hilfe <strong>der</strong> kommerziellen Schnittstellensoftware<br />
EDBSARC 3.0, <strong>der</strong> Firma ESRI-Deutschland, in Arc/Info-Format überführt (ZÖLITZ-<br />
MÖLLER & KEßLER, 1996a). Die gelieferten Daten liegen im 3er und 4er Streifen nach<br />
Gauß-Krüger vor und decken das Untersuchungsgebiet komplett ab.
3.4.1 Datengüte und Bearbeitung<br />
Die Kacheln <strong>der</strong> ATKIS-Daten entsprechen in ihrer räumlichen Ausdehnung nicht<br />
den geologischen und bodenkundlichen Kartenblättern. Um einen einheitlichen Arbeitsmaßstab<br />
zu erzeugen, werden die ATKIS-Kacheln in Arc/Info aneinan<strong>der</strong> gehängt<br />
und dann auf TK25-Größe <strong>der</strong> jeweiligen Kartenblätter ausgeschnitten. Dazu<br />
müssen mehrere ATKIS-Kacheln miteinan<strong>der</strong> verschnitten werden. Voraussetzung<br />
dieses Arbeitsschrittes ist die einheitliche Attributierung <strong>der</strong> jeweiligen Flächen. Liegt<br />
diese nicht vor, werden bei <strong>der</strong> Erzeugung einer Topologie in Arc/Info nicht alle Flächeninformationen<br />
überführt. Eine uneinheitliche Attributierung liegt bei den ATKIS-<br />
Kacheln 574926cl, 420956cl und 426974cl vor. Des weiteren fehlen in <strong>der</strong> Kachel Nr.<br />
402986cl, an <strong>der</strong> westlichen Grenze zur benachbarten Kachel, mehrere Flächen (vgl.<br />
Abbildung 18). Das entsprechende Gebiet und dessen Landnutzung wird anhand <strong>der</strong><br />
topographische Karte ermittelt und den fehlenden Flächen die jeweilige Eigenschaft<br />
zugeordnet. Dies gilt ebenso für die 222 Flächen ohne jegliche Attributierung, die<br />
eine Gesamtfläche von ca. 5 km 2 einnehmen.<br />
Abbildung 18: Schematische Darstellung von Fehlflächen in den ATKIS-Daten, Kachel-Nr. 402986cl<br />
Für das Forschungs- und Entwicklungsvorhaben sind aus den ATKIS-Daten nur Informationen<br />
relevant, die Auskünfte über die Art <strong>der</strong> Landnutzung bzw. über Gewässer<br />
geben. Von Interesse sind die Landnutzungen Acker, Grünland o<strong>der</strong> Wald (differenziert<br />
in Nadel-, Laub- und Mischwald). Als weitere Flächeninformation wird <strong>der</strong><br />
Bebauungsgrad bzw. die Ausweisung von Wasserflächen benötigt.<br />
Zur Reduzierung <strong>der</strong> Datenmenge wird <strong>der</strong> ATKIS-Attributkatalog vereinfacht und im<br />
ersten Schritt auf die relevanten Attribute (OBJART, OBJEKTART, OBJART1,<br />
OBJEKTART1, VEG und BETEXTUNG1) beschränkt. Problematisch ist, daß die erfor<strong>der</strong>liche<br />
Gleichheit <strong>der</strong> Objektdefinition nicht immer gegeben ist (ZÖLITZ-MÖLLER &<br />
KEßLER, 1996b). Zum Beispiel gibt es Flächen, die in <strong>der</strong> Klasse OBJEKTART einer<br />
Ortslage zugeordnet sind, aber in <strong>der</strong> Klasse OBJEKTART1 als Strom, Fluß o<strong>der</strong><br />
Bach definiert sind (vgl. Abbildung 19). Diese Klassifizierung unterliegt keinem er-<br />
51
52<br />
kennbaren logischen Zusammenhang. So können Wasserflächen wahlweise auch in<br />
OBJEKTART1 als Ortslage gekennzeichnet sein (vgl. Abbildung 19). Aus diesem<br />
Grund muß vor <strong>der</strong> Weiterverarbeitung eine einheitliche, in sich schlüssige Objektdefinition<br />
erfolgen. Erst nach diesem Schritt ist es möglich, alle Flächen gleicher<br />
Nutzung zusammenfassen zu können (Befehl: „dissolve“).<br />
Item Definition<br />
Objektart : Grünland<br />
Objektart1: Ortslage<br />
Item Definition<br />
Objektart : Ortslage<br />
Objektart1: Teich<br />
Abbildung 19: Problem <strong>der</strong> Überschneidung von Polygonen und <strong>der</strong> daraus folgenden<br />
unterschiedlichen Attributierung <strong>der</strong> Wasserflächen; Kachel Nr. 402986cl<br />
Die ATKIS-Daten liegen in einer räumlichen Auflösung vor, die zur Bearbeitung <strong>der</strong><br />
Fragestellung unnötig hoch ist. Die kleinsten Flächen haben eine Größe von 30 m 2 .<br />
Die räumliche Auflösung aller an<strong>der</strong>en Eingangsgrößen ist weit geringer, so daß eine<br />
Vergröberung <strong>der</strong> Datenauflösung in Richtung eines einheitlichen Arbeitsmaßstabes<br />
führt. Aus diesem Grunde und um die Anzahl <strong>der</strong> Polygone und die <strong>der</strong> Rechenzeit in<br />
Arc/Info zu begrenzen, wird <strong>der</strong> ATKIS-Datensatz von Flächen mit einer Ausdehnung<br />
von weniger als 2500 m 2 bereinigt. Diese werden dem Nachbarpolygon mit <strong>der</strong> längsten<br />
gemeinsamen Grenze zugeschlagen. Die Anzahl <strong>der</strong> Polygone kann dadurch<br />
von über 16000 auf ca. 9500 reduziert werden. Die Fläche <strong>der</strong> Polygone mit einer<br />
kleineren Fläche als 2500 m 2 beträgt ca. 0,4 % <strong>der</strong> Gesamtfläche. Die Kleinflächen<br />
sind gleichmäßig über das Untersuchungsgebiet gestreut. Die größte Gruppe unter<br />
den Kleinflächen stellen die Gehölze dar (vgl. Tabelle 9). Dabei handelt es sich in <strong>der</strong><br />
Mehrzahl um kleine Busch- bis Baumgruppen.<br />
Tabelle 9: Flächenart und Anzahl <strong>der</strong> häufigsten<br />
Kleinflächen: Gesamtanzahl 3384<br />
Fläche Anzahl<br />
Gehölz 2923<br />
Grünland 992<br />
Stehendes Gewässer 799<br />
Item Definition<br />
Objektart : Teich<br />
Objektart1: Ortslage
3.5 Digitales Geländemodell (DGM)<br />
In den letzten Jahren wird die Abbildung <strong>der</strong> Oberflächenform zunehmend durch sogenannte<br />
digitale Geländemodelle (DGM) vorgenommen. Ein DGM beschreibt das<br />
Relief durch Rechts- und Hochwert sowie dem zugehörigen Höhenwert. Die x,y,z-<br />
Wertetripel sind in <strong>der</strong> Regel in einem quadratischen Raster angeordnet (KÖTHE ET<br />
AL., 1996), das Rasterweiten zwischen 10 und 50 m aufweist. Anhand dieser Daten<br />
können morphometrische Reliefparameter, wie z.B. Reliefenergie, Hangneigung, Exposition<br />
und Wölbung, erhoben werden.<br />
Das LANU stellte 51 Dateien mit Höhenwerten zur Verfügung. Die den Punkten zugeordnete<br />
Höhe entspricht <strong>der</strong> gemittelten Höhe einer Rasterzelle von 50*50 m 2 . Die<br />
vertikale Auflösung <strong>der</strong> Höhendaten liegt bei 1 Dezimeter. Die Kacheln liegen sowohl<br />
im 3er als auch im 4er Streifen <strong>der</strong> Gauß-Krüger-Projektion vor. Aus diesen Datensätzen<br />
wird ein digitales Geländemodell erstellt und die relevanten Reliefparameter<br />
abgeleitet. Diese sind zur Charakterisierung des Direktabflusses bei den Berechnungen<br />
<strong>der</strong> Grundwasserneubildung erfor<strong>der</strong>lich.<br />
3.5.1 Datenbearbeitung: Erstellung des digitalen Höhenmodells<br />
Die Daten können nicht direkt in Arc/Info eingelesen werden. Um die Daten zu importieren,<br />
muß das Dateiformat geän<strong>der</strong>t werden:<br />
vorher: ---X--Y--------Z<br />
nachher: 1-X-Y-Z<br />
Im zweiten Schritt werden unter UNIX alle Daten des 3er bzw. 4er Streifens in je einer<br />
Datei zusammengefaßt (Befehl: „cat“ ). Es folgt die Erstellung jeweils einer TIN-<br />
Datei (Triangulated Irregular Network) in Arc (Befehl: „createtin“). Um die beiden<br />
Dateien aneinan<strong>der</strong>fügen zu können, werden aus den TIN-Dateien Punktcoverages<br />
erzeugt. Als nächstes werden die Koordinaten des 3er Streifena auf die des 4er<br />
Streifens umgerechnet und dann an das an<strong>der</strong>e Coverage angehängt (Befehle „projectdefine“<br />
und „append“). Das entstandene Punkt-Coverage wird in Arc wie<strong>der</strong> in ein<br />
TIN umgewandelt (Befehl: „arctin“). Das erstellte digitale Höhenmodell wird für die<br />
<strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> Hangneigung, <strong>der</strong> Hangexposition sowie <strong>der</strong> Reliefenergie benötigt.<br />
Ferner wird überprüft, ob anhand des Modells das Gewässernetz und die jeweiligen<br />
Einzugsgebiete bestimmt werden können.<br />
53
4 Ableitung und Beschreibung <strong>der</strong> Eingangsparameter<br />
4.1 Nie<strong>der</strong>schlag<br />
Die korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagsdaten <strong>der</strong> Zeitreihe 1961-1990 wurden vom DWD auf<br />
ihre Homogenität hin überprüft. Deswegen war es nur für die unkorrigierten Datenreihen<br />
<strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagszeitreihe 1961-1990 notwendig die Homogenitätstests<br />
durchzuführen.<br />
Die Prüfung <strong>der</strong> Homogenität <strong>der</strong> Daten nach dem Doppelsummenlinien-Verfahren<br />
wurde für alle Nie<strong>der</strong>schlagsstationen, die im o<strong>der</strong> in unmittelbarer Nähe des Untersuchungsgebietes<br />
Südost-Holstein liegen (vgl. Anhang 1.1), durchgeführt. Aufgrund<br />
des relativ geradlinigen Verlaufes <strong>der</strong> Linienzüge (vgl. Abbildung 20) kann davon<br />
ausgegangen werden, daß an den ausgewählten Nie<strong>der</strong>schlagsstationen keine signifikanten<br />
Verän<strong>der</strong>ungen <strong>der</strong> Meßbedingungen stattfanden. Die Zeitreihen <strong>der</strong> einzelnen<br />
Nie<strong>der</strong>schlagsstationen sind in sich konsistent.<br />
45000<br />
40000<br />
Kummulierte Summe <strong>der</strong> mittleren Jahresnie<strong>der</strong>schläge<br />
Ordinatenschnittpunk bei je<strong>der</strong> Station versetzt<br />
35000<br />
30000<br />
25000<br />
20000<br />
15000<br />
10000<br />
5000<br />
0<br />
Trittau<br />
Steinhorst<br />
Schwarzenbek<br />
Reinbek<br />
Ratzeburg<br />
Lauenburg<br />
Langenlehsten<br />
Kittlitz<br />
Geesthacht<br />
Bargteheide<br />
0 Kummulierte 10000 Jahressumme des 20000 Nie<strong>der</strong>schlages 30000<br />
Abbildung 20: Doppelsummenlinien zur Homogenitätsprüfung dargestellt anhand unkorrigierter Nie<strong>der</strong>schlagswerte<br />
<strong>der</strong> Zeitreihe 1961-1990 von 12 Nie<strong>der</strong>schlagsstationen<br />
Nusse<br />
Lütau<br />
55
56<br />
Der zweite Schritt <strong>der</strong> Homogenitätsprüfung besteht darin, räumliche Inhomogenitäten<br />
zu entdecken, zu überprüfen und ggf. zu eliminieren. Dazu werden die Standardabweichungen<br />
<strong>der</strong> einzelnen Datensätze räumlich aufgetragen. Abbildung 21 stellt<br />
die Ergebnisse <strong>der</strong> Homogenitätsprüfung <strong>der</strong> unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlagsdaten dar.<br />
Die Feldstandardabweichungen zeigen keine signifikanten Scharungen <strong>der</strong> Isolinien,<br />
was auf fehlerhafte Einzelwerte hinweisen würde. Die Datensätze weisen keine<br />
durch die Homogenitätsprüfung zu erkennende Inhomogenität auf.<br />
Rechtswert<br />
5955000<br />
5950000<br />
5945000<br />
5940000<br />
Bargteheide<br />
5935000<br />
Reinbek<br />
5930000<br />
5925000<br />
5920000<br />
Standardabweichung <strong>der</strong> unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlagswerte<br />
<strong>der</strong> Zeitreihe 1961-1990<br />
Geesthacht<br />
Trittau<br />
Steinhorst<br />
Schwarzenbek<br />
Lauenburg<br />
Langenlehsten<br />
Abbildung 21: Feldverteilung <strong>der</strong> Standardabweichung <strong>der</strong> unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlagsdaten <strong>der</strong><br />
Zeitreihe 1961-1990<br />
Lütau<br />
Der Homogenitätsprüfung folgt die statistische Auswertung <strong>der</strong> korrigierten und unkorrigierten<br />
Nie<strong>der</strong>schlagsdaten. Zur exemplarischen Beschreibung des Nie<strong>der</strong>schlagsgeschehen<br />
im Untersuchungsgebiet wurden die Zeitreihe 1961-1990 <strong>der</strong> Jahresummen<br />
und des hydrologischen Winter- und Sommerhalbjahres <strong>der</strong> Station<br />
Schwarzenbek auf ihre Repräsentanz (vgl. Kap. 3.1.1) untersucht und ausgewertet.<br />
In <strong>der</strong> Abbildung 22 sind die errechneten Korrelationskoeffizienten <strong>der</strong> Station<br />
Schwarzenbek mit den an<strong>der</strong>en Nie<strong>der</strong>schlagsstationen in Abhängigkeit von ihrer<br />
Entfernung dargestellt. Die Korrelationskoeffizienten (r) aller drei betrachteten Zeitintervalle<br />
sind mit Werten > 0,7 hoch. Sie erfüllen das von RAPP & SCHÖNWIESE<br />
(1996) angegebene Mindestkriterium für eine ausreichende Repräsentanz von<br />
r = 0,7. Weiterhin erkennt man, daß die Repräsentanz jahreszeitenabhängig ist. Sie<br />
ist im Winter geringer als im Sommer. Grund für diesen jahreszeitlichen Unterschied<br />
ist, daß im Sommer häufiger lokal begrenzte Nie<strong>der</strong>schlagsereignisse (Schauer o<strong>der</strong><br />
Gewitter) auftreten. Die Repräsentanz nimmt mit <strong>der</strong> Entfernung ab. Nur bei den<br />
hydrologischen Sommerhalbjahren wird das Repräsentanzkriterium ab einer<br />
Nusse<br />
Ratzeburg<br />
4385000 4390000 4395000 4400000 4405000 4410000 4415000 4420000 4425000<br />
Hochwert<br />
Kittlitz
Entfernung von ca. 60 km unterschritten. Die Nie<strong>der</strong>schlagsstation Schwarzenbek<br />
repräsentiert das Untersuchungsgebiet sehr gut.<br />
Korrelationskoeffizient<br />
1<br />
0.9<br />
0.8<br />
Nie<strong>der</strong>schlagsstation Schwarzenbek<br />
0.7<br />
0.6<br />
Jahr<br />
Winter<br />
Sommer<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80<br />
Entfernung [km]<br />
Abbildung 22: Repräsentanz <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsreihe <strong>der</strong> Station Schwarzenbek in Abhängigkeit von<br />
<strong>der</strong> Entfernung zu 27 Nie<strong>der</strong>schlagsstationen des erweiterten Untersuchungsraumes<br />
mit entsprechenden Ausgleichsgeraden. Dargestellt für die Zeitreihen 1961-1990 <strong>der</strong><br />
Jahressummen und des hydrologischen Winter- und Sommerhalbjahr.<br />
Ein Vergleich <strong>der</strong> unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlagswerte mit vom DWD korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagsdaten<br />
<strong>der</strong> Zeitreihe 1961-1990 zeigt, daß ohne Korrektur die Nie<strong>der</strong>schlagsdaten<br />
im Mittel über diesen Zeitraum zwischen 42 und 103 mm/a (6-13%)<br />
negativ von den korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagswerten abweichen. Es zeigt sich eine lineare<br />
Abhängigkeit, die durch eine Geradensteigung von 1,1 beschrieben wird. Die<br />
Auswertung bestätigt die im Kapitel 2.1.1 beschriebene Problematik <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsmessung.<br />
Die jährlichen korrigierten und unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlagssummen <strong>der</strong> Zeitreihe<br />
1961-1990 <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsstationen des Untersuchungsgebietes Südost-Holstein<br />
wurden statistisch bearbeitet. Dabei wurden bei den unkorrigierten Daten 12 Stationen<br />
und bei den korrigierten 16 Stationen berücksichtigt. Im folgenden werden die<br />
Ergebnisse nur für die korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagswerte präsentiert.<br />
In <strong>der</strong> Abbildung 23 sind die Ergebnisse in einem Kasten-Faden-Diagramm zusammengefaßt.<br />
Dargestellt ist <strong>der</strong> Wertebereich des Mittelwertes ± Standardabweichung,<br />
Minimum und Maximum <strong>der</strong> jährlichen Nie<strong>der</strong>schlagssummen.<br />
57
58<br />
N kor [mm/a]<br />
1200<br />
1100<br />
1000<br />
900<br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
Nie<strong>der</strong>schlagsstation<br />
Abbildung 23: Kasten-Faden-Diagramm <strong>der</strong> jährlichen korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagsmengen (1961-<br />
1990); Kasten = Mittelwert ± Standardabweichung; Faden = Spannweite Minimum-Maximum<br />
Die Daten zeigen eine deutliche zeitliche Variabilität. Innerhalb je<strong>der</strong> Zeitreihe tritt<br />
zwischen minimalen und maximalen Nie<strong>der</strong>schlagswerten eine große Differenz auf.<br />
Die geringste Spanne zwischen Minimum und Maximum weist die Nie<strong>der</strong>schlagsstation<br />
Schönberg mit 332 mm auf. Die größte Spanne wurde mit 551 mm bei <strong>der</strong> Station<br />
Nusse registriert. Die Mittelwerte <strong>der</strong> Datenreihen liegen zwischen 750 und<br />
870 mm/a mit Standardabweichungen von über 90 mm/a. Daraus ergeben sich für<br />
die jährlichen Nie<strong>der</strong>schlagssummen Variabilitätskoeffizienten (Standardabweichung<br />
dividiert durch den Mittelwert) zwischen 13 und 16 %, die nach Rasch (1987) eine<br />
mittlere Variabilität kennzeichnen.<br />
Zur Beurteilung <strong>der</strong> zeitlichen Variabilität <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsdaten wurde überprüft, ob<br />
die Variabilität zufällig o<strong>der</strong> trendbehaftet ist. Innerhalb <strong>der</strong> Zeitreihe 1961-1990 <strong>der</strong><br />
jährlichen Nie<strong>der</strong>schlagssummen <strong>der</strong> einzelnen Stationen kann kein signifikanter<br />
Trend nachgewiesen werden. Dies wird durch die Untersuchungen von RAPP &<br />
SCHÖNWIESE (1996) bestätigt, <strong>der</strong> für die wichtigsten Flußeinzugsgebiete Deutschlands<br />
den zeitlichen Trend studierte. Bei seinen Untersuchungen von Zeitreihen unterschiedlicher<br />
Länge konnte er nachweisen, daß in den letzten hun<strong>der</strong>t Jahren in<br />
den meisten Flußeinzugsgebieten eine signifikante Zunahme <strong>der</strong> Jahresnie<strong>der</strong>schlagssumme<br />
von 10 bis 16 % des Mittelwertes zu verzeichnen ist. Die Ausnahme<br />
bilden <strong>der</strong> Norden und Osten Deutschlands. Für das Zeitintervall 1961-1990 waren<br />
keine signifikanten Trends erkennbar. Lediglich im hydrologischen Winterhalbjahr<br />
konnte eine signifikante Zunahme <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsmengen um ca. 10 % des
jeweiligen Mittelwertes nachgewiesen werden. Die Winternie<strong>der</strong>schläge im Untersuchungsgebiet<br />
zeigen dies nicht (vgl. Abbildung 24).<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
Nie<strong>der</strong>schlagsstation Schwarzenbek<br />
0<br />
1960 1970 1980<br />
Zeitreihe<br />
1990<br />
Abbildung 24: Lineare Trendanalyse <strong>der</strong> korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagszeitreihe 1961-1990 <strong>der</strong> Station<br />
Schwarzenbek<br />
Die monatlichen Nie<strong>der</strong>schlagshöhen im Untersuchungsgebiet weisen in ihrem mittleren<br />
innerjährlichen Gang eine typische Doppelwelle mit Hauptmaximum im Juli und<br />
einem weiteren Maximum im November/Dezember auf. Die geringsten monatlichen<br />
Nie<strong>der</strong>schlagssummen fallen im Mittel im Februar. Dieses Hauptminimum ist im ganzen<br />
Gebiet deutlich ausgeprägt. Abbildung 25 stellt den mittleren innerjährlichen<br />
Gang <strong>der</strong> Station Schwarzenbek dar.<br />
Nie<strong>der</strong>schlagshöhe [mm]<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
korrigierter Nie<strong>der</strong>schlag<br />
[mm/a]<br />
Januar<br />
Jahr<br />
Wihj<br />
Februar<br />
März<br />
April<br />
Station Schwarzenbek<br />
Mai<br />
Juni<br />
Abbildung 25: Mittlere korrigierte monatliche Nie<strong>der</strong>schlagssummen 1961-1990 <strong>der</strong> Station<br />
Schwarzenbek<br />
Juli<br />
August<br />
September<br />
Oktober<br />
November<br />
Dezember<br />
59
60<br />
Für alle Stationen im Untersuchungsgebiet gilt, daß die mittlere Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung<br />
zwischen Winterhalbjahr (November bis April) und dem Sommerhalbjahr (Mai<br />
bis Oktober) recht ausgeglichen ist (vgl. Tabelle 10). Die mittlere jährliche Nie<strong>der</strong>schlagshöhe<br />
<strong>der</strong> Station Schwarzenbek von 810 mm ergibt sich zu 48 % (390 mm)<br />
aus Nie<strong>der</strong>schlägen im Winterhalbjahr und zu 52 % (420 mm) aus Nie<strong>der</strong>schlägen im<br />
Sommerhalbjahr. Die Variabilität <strong>der</strong> monatlichen Summen <strong>der</strong> Station bewegt sich<br />
zwischen 38 und 56 % bei einer jährlichen Variabilität von 15 %.<br />
Tabelle 10: Mittlere korrigierte Nie<strong>der</strong>schlagshöhe, hydrologisches Winterhalbjahr<br />
(Wihj) & hydrologisches Sommerhalbjahr (Sohj) 1961-<br />
1990<br />
Station<br />
Wihj Sohj<br />
[mm/a] % [mm/a] %<br />
Bargteheide 413 48 456 52<br />
Boizenburg 309 45 376 55<br />
Geesthacht 376 47 431 53<br />
Greven-Granzin 366 48 403 52<br />
Hamburg-Fuhlsbüttel 400 47 456 53<br />
Kittlitz 361 48 391 52<br />
Langenlehsten 358 48 394 52<br />
Lauenburg 359 47 404 53<br />
Lütau 371 47 412 53<br />
Nusse 356 48 382 52<br />
Ratzeburg 368 48 401 52<br />
Reinbek 402 48 438 52<br />
Schönberg 336 48 368 52<br />
Schwarzenbek 390 48 420 52<br />
Steinhorst 380 48 410 52<br />
Trittau 423 49 437 51<br />
Zur Abschätzung <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung in Extremjahren wurden aus den Datenreihen,<br />
die Jahre heraus gesucht in denen die Nie<strong>der</strong>schlagshöhe den Mittelwert<br />
<strong>der</strong> zugehörigen Nie<strong>der</strong>schlagsreihe um mehr als die Standardabweichung überschreitet<br />
(Naßjahr) bzw. unterschreitet (Trockenjahr). Das Jahr 1975 stellt für alle<br />
Stationen im Untersuchungsgebiet ein Trockenjahr dar, während das Jahr 1981 nur<br />
für den überwiegenden Teil <strong>der</strong> Stationen im Gesamtuntersuchungsgebiet (64 %) ein<br />
Naßjahr repräsentiert. Abbildung 26 stellt die Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung <strong>der</strong> Extremjahre<br />
und die mittlere korrigierte Nie<strong>der</strong>schlagshöhe 1961-1990 einan<strong>der</strong> gegenüber.<br />
Die Stationen sind in <strong>der</strong> Grafik gemäß ihrer geographischen Lage von West nach<br />
Ost sortiert. Sowohl bei den mittleren Nie<strong>der</strong>schlagssummen als auch bei denen des<br />
Trockenjahres 1975 erkennt man eine tendenzielle Abnahme <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagssummen<br />
von West nach Ost, die im Naßjahr 1981 nicht ausgeprägt ist.
Nkor [mm/a]<br />
1200<br />
Trockenjahr 1975<br />
Mittel 1961/90<br />
Nassjahr 1981<br />
Hamburg-Fuhlsbüttel<br />
Reinbek<br />
Bargteheide<br />
Geesthacht<br />
Trittau<br />
Schwarzenbek<br />
Steinhorst<br />
Lauenburg<br />
Abbildung 26: Gegenüberstellung <strong>der</strong> korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagssummen (Nkor) für das 30-jährige<br />
Mittel 1961-1990, Naß- und Trockenjahr<br />
Der Trend wurde für die mittleren korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagssummen <strong>der</strong> Zeitreihe<br />
1961-1990 näher betrachtet (vgl. Abbildung 27).<br />
Nkorr [mm/a]<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
1000<br />
0<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
Hamburg<br />
Reinbek<br />
Bargteheide<br />
Geesthacht<br />
Trittau<br />
Schwarzenbek<br />
Steinhorst<br />
Abbildung 27: Mittlere korrigierte Jahresnie<strong>der</strong>schlagssummen (Nkor) 1961-1990 <strong>der</strong> auf einer West-<br />
Ost-Achse aufgetragenen Nie<strong>der</strong>schlagsstationen mit Angabe des linearen Trends.<br />
Lütau<br />
Lauenburg<br />
Nusse<br />
Lütau<br />
Boizenburg<br />
Nusse<br />
Langenlehsten<br />
Boizenburg<br />
Nie<strong>der</strong>schlagsstationen<br />
Ratzeburg<br />
Langenlehsten<br />
Greven-Granzin<br />
Ratzeburg<br />
Kittlitz<br />
Schönberg<br />
R 2 = 0.6837<br />
Greven<br />
Kittlitz<br />
Schönberg<br />
61
62<br />
Der hochsignifikante Trend (r > 0,8) in <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung <strong>der</strong> mittleren Jahresnie<strong>der</strong>schläge<br />
von West nach Ost zeigt eine gute Übereinstimmung mit <strong>der</strong> in<br />
SCHMIDTKE (1992) angegebenen Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung für Schleswig-Holstein. Die<br />
Abnahme <strong>der</strong> mittleren Nie<strong>der</strong>schlagssummen beträgt ca. 2,5 mm/km. JELINEK,<br />
(1999A) beschreibt diesen Trend für das im Westen an das Untersuchungsgebiet<br />
angrenzende Einzugsgebiet <strong>der</strong> Stör mit einer Abnahme von West nach Ost von ca.<br />
3 mm/km. Dieses Phänomen läßt sich damit erklären, daß die westlich gelegenen<br />
Nie<strong>der</strong>schlagsstationen klimatisch noch stärker maritim beeinflußt werden, während<br />
im östlichen Teil des Gebietes sich bereits <strong>der</strong> kontinentale Klimaeinfluß auswirkt.<br />
Dies bewirkt eine Abnahme <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhen von West nach Ost (BEINHAUER,<br />
1998).<br />
Die Ergebnisse zeigen die hohe Qualität <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsdaten und stimmen sehr<br />
gut mit den großräumigen Untersuchungen von KELLER (1979), KIRSCHING (1991)<br />
OHLBRÜCK (1967) UND SCHMIDTKE (1992) zur Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung und -variabilität<br />
in Schleswig-Holstein überein.<br />
4.1.1 Regionalisierung des Nie<strong>der</strong>schlages<br />
Zur Regionalisierung <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhen wurden Nie<strong>der</strong>schlagsreihen von 28<br />
Stationen für die korrigierten bzw. 24 Stationen für die unkorrigierten Zeitreihen<br />
1961-1990 verwendet. Diese Daten dienten zur Regionalisierung <strong>der</strong> mittleren Jahressummen<br />
und <strong>der</strong> bodenkundlichen Halbjahressummen. Außerdem wurden für die<br />
Untersuchungen <strong>der</strong> Abfluß/Nie<strong>der</strong>schlagsbeziehung im Untersuchungsgebiet die<br />
hydrologischen Jahressummen <strong>der</strong> Jahre 1985-1998 einzeln sowie die mittleren hydrologischen<br />
Jahressummen <strong>der</strong> Zeitreihen 1971-1998, 1985-1991, 1989-1993 und<br />
1985-1994 aus unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlagsdaten von 12 Stationen berechnet. Bei<br />
<strong>der</strong> Auswahl <strong>der</strong> Stationen wurde im Vorfeld darauf geachtet, daß ein Teil <strong>der</strong> Stationen<br />
außerhalb des Untersuchungsgebietes liegt. So kann die Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung<br />
im Untersuchungsgebiet interpoliert werden und die wesentlich unsichere Extrapolation<br />
vermieden werden. Die Ergebnisse <strong>der</strong> Regionalisierung <strong>der</strong> Daten wird exemplarisch<br />
an <strong>der</strong> korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagsdatenreihe für die mittleren Jahressummen<br />
erläutert.<br />
Zuerst wurde die Verteilungsfunktion <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhen 1961-1990 ermittelt<br />
(vgl. Abbildung 28). Die Daten zeigen eine leicht linksschiefe Verteilungsfunktion, die<br />
annähernd die Form einer Normalverteilung vorweist. Sowohl Mittel- als auch Medianwert<br />
betragen 820 mm/a, was ebenfalls auf eine symmetrische Verteilung hindeutet.<br />
Aufgrund dieser Verteilungsfunktion ist es möglich, die Daten mit Hilfe von<br />
Variographie und Kriging zu regionalisieren (vgl. Kapitel 3.1).
Abbildung 28: Häufigkeitsverteilung und kummulierte Häufigkeit (%) <strong>der</strong> mittleren korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagshöhen<br />
1961-1990<br />
Im nächsten Schritt wurden mit dem Programmpaket GEOEAS unterschiedliche Variogramme<br />
berechnet. Die strukturelle Analyse <strong>der</strong> in unterschiedliche Richtungen<br />
berechneten Variogramme zeigte deutliche Unterschiede im Kurvenverlauf, was auf<br />
eine anisotrope Struktur <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung hinweist. Anhand einer Trendflächenanalyse<br />
zeigt sich ein mehr o<strong>der</strong> weniger West/Ost verlaufen<strong>der</strong> Trend <strong>der</strong><br />
Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung (vgl. Abbildung 29), <strong>der</strong> bereits in Kapitel 5.1 angesprochen<br />
wurde.<br />
Hochwert<br />
6000000<br />
5990000<br />
5980000<br />
5970000<br />
5960000<br />
Häufigkeit<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
5950000<br />
Hamburg<br />
5940000<br />
5930000<br />
5920000<br />
740 780 820 860 900<br />
mittlere Jahresnie<strong>der</strong>schläge 1961/90 [mm/a]<br />
Plön<br />
Bad Ol desloe<br />
Seedorf<br />
Steinhorst<br />
Mittel = 820<br />
Var = 3167<br />
Std = 63<br />
N = 28<br />
Abbildung 29: Trendflächenanalyse <strong>der</strong> korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagsdaten, Zeitreihe 1961-1990<br />
Eutin<br />
Lauenburg<br />
Um bei <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> Variogramme die aufgrund des Trends hervorgerufene<br />
Variabilität <strong>der</strong> Daten zu eliminieren, wurde im Streichen des Trends ein<br />
richtungsorientiertes Variogramm berechnet, verschiedene Modellfunktionen ange-<br />
Lübeck<br />
Ratzeburg<br />
Travemünde<br />
Schönberg<br />
4370000 4380000 4390000 4400000 4410000 4420000 4430000<br />
Rechtswert<br />
100%<br />
80%<br />
60%<br />
40%<br />
20%<br />
0%<br />
63
64<br />
paßt und durch Kreuzvalidation die Güte <strong>der</strong> experimentellen Variogramme überprüft.<br />
Abbildung 30 zeigt die Anpassung <strong>der</strong> sphärischen Modellfunktion an das in<br />
nördliche Richtung berechnete Variogramm <strong>der</strong> mittleren jährlichen Nie<strong>der</strong>schlagssummen<br />
1961/90. Die Funktion wird durch einen Sill von 2120, einer Reichweite von<br />
76 km und einem Nuggeteffekt von 350 beschrieben.<br />
Abbildung 30: Experimentelles Richtungsvariogramm <strong>der</strong> mittleren jährlichen Nie<strong>der</strong>schlagshöhen<br />
1961/90; Modell sphärisch<br />
Die Variogramm-Modelle wurden in das Kriging-Gleichungssystem eingesetzt und<br />
die regionale Verteilung <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhen sowie <strong>der</strong> Schätzstandardabweichung<br />
berechnet.<br />
Die durch Kriging interpolierte Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung <strong>der</strong> mittleren jährlichen korrigierten<br />
Nie<strong>der</strong>schlagshöhe ist im Anhang 4.1.3 dargestellt. Die höchsten Nie<strong>der</strong>schlagswerte<br />
finden sich mit Werten über 875 mm/a westlich von Bargteheide, die<br />
niedrigsten Nie<strong>der</strong>schlagssummen liegen (< 775 mm/a) im Bereich Nusse vor. Der<br />
Gebietsmittelwert liegt bei 812 mm/a. Die durch das Kriging-Verfahren ermittelte<br />
Schätzstandardabweichung ist, mit Gebietswerten zwischen 25 und 35 mm/a, als<br />
gering einzuschätzen. Das Zentrum des Untersuchungsgebietes zeigt dabei Werte<br />
< 30 mm/a. Höhere Standardabweichungen finden sich im nordöstlichen Teil des<br />
Untersuchungsgebietes (vgl. Anhang 4.1.4).<br />
Anhang 4.1.5 zeigt die durch Kriging ermittelte Verteilung <strong>der</strong> unkorrigierten mittleren<br />
Jahresnie<strong>der</strong>schlagshöhen <strong>der</strong> Zeitreihe 1961-1990. Das Verteilungsmuster gleicht<br />
dem <strong>der</strong> korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagsdaten. Die höchsten Werte finden sich auch hier<br />
mit Werten von > 775 mm/a im Westen des Untersuchungsgebietes, die niedrigsten<br />
Werte < 700 mm/a liegen im Osten. Die errechneten Schätzstandardabweichungen<br />
gleichen in ihrer Höhe und Verteilung denen <strong>der</strong> korrigierten. Die Differenz zwischen<br />
<strong>der</strong> korrigierten und unkorrigierten Gebietsjahresnie<strong>der</strong>schlagssumme liegt bei 80<br />
mm/a.
Für die Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nach<br />
RENGER & Wessolek (1990) war es notwendig, die bodenkundlichen Sommer- bzw.<br />
Winterhalbjahre <strong>der</strong> unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlagssummen zu regionalisieren. Die<br />
Verteilungen sind in dem Anhang 4.1.6 und 4.1.7 abgebildet. Der Wertebereich <strong>der</strong><br />
mittleren Nie<strong>der</strong>schlagssummen <strong>der</strong> Sommerhalbjahre liegt zwischen 370 mm/0.5a<br />
im Osten und 410 mm/0.5a im westlichen Bereich. Das Gebietsmittel liegt<br />
bei 378 mm/0.5a. Die Schätzstandardabweichungen haben Werte zwischen 10 und<br />
15 mm/0.5a. Im Vergleich dazu sind die Schätzstandardabweichungen <strong>der</strong> Winterhalbjahre<br />
mit Werten zwischen 15 und 20 mm/a höher. Das Gebietsmittel für die<br />
mittleren Nie<strong>der</strong>schlagshöhen <strong>der</strong> Winterhalbjahre beträgt 354 mm/a.<br />
4.2 Evapotranspiration<br />
Bei <strong>der</strong> Überprüfung <strong>der</strong> vom DWD zur Verfügung gestellten potentiellen<br />
Evapotranspirationsdaten nach Turc-Ivanov stellte sich heraus, daß die Daten nicht,<br />
wie es für die Benutzung des Verfahrens in Deutschland notwendig ist, korrigiert<br />
wurden. Der, <strong>der</strong> Literatur entnommene, Korrekturfaktor von 1,1 (DVWK, 1996) gilt<br />
nur für Jahressummen. Er kann nicht auf Monatssummen übertragen werden, da<br />
dies insbeson<strong>der</strong>e in den Sommermonaten zur Verfälschung <strong>der</strong> Monatssummen<br />
führen würde. Nach <strong>der</strong> durchgeführten Korrektur stehen die korrigierten potentiellen<br />
Evapotranspiratiosdaten nach Turc-Ivanov nur in jährlicher Auflösung zur Verfügung.<br />
Für das Untersuchungsgebiet Südost-Holstein wurden die Daten (Zeitreihe 1961-<br />
1990) <strong>der</strong> potentiellen Evapotranspiration nach HAUDE (1954) und Turc-Ivanov statistisch<br />
bearbeitet. In den Abbildungen 31 sind die Ergebnisse in einem Kasten-<br />
Faden-Diagramm zusammengefaßt. Dargestellt ist <strong>der</strong> Wertebereich des Mittelwertes<br />
± Standardabweichung, Minimum und Maximum <strong>der</strong> potentiellen Evapotranspiration.<br />
ETpot [mm]<br />
700<br />
650<br />
600<br />
550<br />
500<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
Abbildung a<br />
Hamburg-<br />
Fuhlsbüttel<br />
ETpot nach Turc-Ivanov<br />
Hamburg-<br />
Reitbrock<br />
Ahrensburg<br />
Klimastation<br />
Boizenburg<br />
Mölln<br />
ETpot [mm]<br />
700<br />
650<br />
600<br />
550<br />
500<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
Abbildung b<br />
Hamburg-<br />
Fuhlsbüttel<br />
ETpot nach Haude<br />
Ahrensburg<br />
Klimastation<br />
Abbildung 31: Kasten-Faden-Diagramm <strong>der</strong> jährlichen potentiellen Evapotranspirationssummen<br />
<strong>der</strong> Zeitreihe 1961/90 nach Turc-Ivanov (Abbildung a) und nach HAUDE (1954)<br />
(Abbildung b); Kasten = Mittelwert ± Standardabweichung; Faden = Spannweite<br />
Minimum-Maximum<br />
Boizenburg<br />
Mölln<br />
65
66<br />
Im Vergleich zu den Nie<strong>der</strong>schlagsdaten zeigen beide Datensätze eine geringere<br />
zeitliche Variabiliät. Die Differenzen zwischen minimalen und maximalen potentiellen<br />
Evapotranspirationswerten liegen bei <strong>der</strong> Berechnung nach Turc-Ivanov zwischen<br />
150 und 190 mm/a, bei Haude zwischen 240 und 290 mm/a. Die Mittelwerte <strong>der</strong> Datenreihen<br />
weisen Werte zwischen 570 und 603 mm/a mit Standardabweichungen um<br />
40 mm/a für das Verfahren nach Turc-Ivanov vor. Im Vergleich dazu sind die nach<br />
HAUDE (1954) berechneten Mittel, mit Werten zwischen 490 und 540 mm/a, deutlich<br />
geringer (vgl. Tabelle 11) und besitzen Standardabweichungen von über 60 mm/a.<br />
Die nach Turc-Ivanov berechneten Variabilitätskoeffizienten sind mit ca. 7 % als gering<br />
einzustufen, während die Haude-Werte (um 13 %) eine mittlere Variabilität vorweisen.<br />
Tabelle 11: Vergleich <strong>der</strong> nach HAUDE (1954) und Turc-Ivanov berechneten potentiellen<br />
Evapotranspirationshöhen (Mittel 1961/90)<br />
Station Etpot Haude<br />
[mm/a]<br />
Etpot Turc-Ivanov<br />
[mm/a]<br />
Differenz<br />
[mm/a]<br />
Ahrensburg -Wuhlsdorf 495 570 75<br />
Boizenburg 515 586 71<br />
Hamburg-Fuhlsbüttel 507 599 92<br />
Mölln 533 603 70<br />
Zur Beschreibung des Evapotranspirationsgeschehens wird die für das Gebiet repräsentative<br />
Klimastation Hamburg-Fuhlsbüttel exemplarisch vorgestellt. Die mittleren<br />
monatlichen Evapotranspirations- und Nie<strong>der</strong>schlagshöhen <strong>der</strong> Station Hamburg-<br />
Fuhlsbüttel sind in <strong>der</strong> Abbildung 32 einan<strong>der</strong> gegenüber gestellt. Die Nie<strong>der</strong>schlagshöhe<br />
überschreitet, wie es unter maritim geprägten klimatischen Bedingungen<br />
typisch ist, in ihrer mittleren jährlichen Summe von 856 mm deutlich den nach<br />
HAUDE berechneten mittleren jährlichen Wert <strong>der</strong> potentiellen Evapotranspiration von<br />
507 mm (KLÄMT, 1998).<br />
Im mittleren Jahresgang überschreitet die potentielle Evapotranspiration nur in den<br />
Monaten Mai, Juni und August das Nie<strong>der</strong>schlagsdargebot. Abbildung 32 zeigt die<br />
klimatische Wasserbilanz für das Trockenjahr 1975. Selbst in dem Trockenjahr 1975<br />
überschreitet die jährliche potentielle Evapotranspirationshöhe (596 mm) nicht das<br />
Nie<strong>der</strong>schlagsdargebot (668 mm/a). In den Monaten Juni und August kommt es zu<br />
negativen Differenzen von über 100 mm. Insbeson<strong>der</strong>e im August 1975 sind die<br />
Werte <strong>der</strong> potentiellen Evapotranspiration deutlich höher als ihr langjähriges monatliches<br />
Mittel.
Abbildung a<br />
mm<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
-20<br />
Station Hamburg-Fuhlsbüttel 1961/90<br />
JAN FEB MRZ APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ<br />
Differenz<br />
Nkor<br />
Etpot Haude<br />
Abbildung b<br />
Station Hamburg-Fuhlsbüttel 1975<br />
Abbildung 32: Klimatische Wasserbilanz <strong>der</strong> Station Hamburg-Fühlsbüttel; a: Mittel 1961-190;<br />
b: Trockenjahr 1975<br />
Die regionalen Unterschiede <strong>der</strong> mittleren jährlichen potentiellen Evapotranspiration<br />
nach Turc-Ivanov sind im Untersuchungsgebiet gering. Die maximale Differenz liegt<br />
bei 33 mm/a für das Modellkonzept von Turc-Ivanov . Die räumliche Variabilität ist<br />
mit einem Variationskoeffizienten von 2,5 % sehr gering. Der Stichprobenumfang des<br />
Untersuchungsgebietes, inklusive <strong>der</strong> erweiterten Betrachtung des Untersuchungsraumes<br />
Lübeck, ist zu gering, um eine Regionalisierung mittels Variographie und Kriging<br />
durchzuführen. Aus diesem Grunde wurde die Regionalisierung anhand von<br />
Thiessen-Polygonen durchgeführt (vgl. Kapitel 3.1.2 und Anhang 4.1.9.). Das auf<br />
diese Art ermittelte Gebietsmittel für den Untersuchungsraum Südost-Holstein liegt<br />
bei 584 mm/a.<br />
Die regionalen Unterschiede <strong>der</strong> mittleren jährlichen potentiellen Evapotranspirationshöhe<br />
im Untersuchungsgebiet zeigen bei <strong>der</strong> Berechnung nach HAUDE (1954)<br />
ebenfalls sehr geringe Variabilität. Die maximale Differenz liegt bei 38 mm/a. Der Variabilitätskoeffizient<br />
ist mit 3 % auch als sehr gering einzuschätzen. Die anhand Thiessen-Methode<br />
ermittelte potentielle Gebietsverdunstung beträgt 514 mm/a (vgl. Anhang<br />
4.1.10).<br />
Betrachtet man die weitere Umgebung des Untersuchungsraumes fällt auf, daß insbeson<strong>der</strong>e<br />
im Bereich Travemünde deutlich geringere Evapotranspirationswerte errechnet<br />
werden als im Binnenland. Ursache hierfür ist <strong>der</strong> „Küsteneffekt“ <strong>der</strong> Ostsee,<br />
<strong>der</strong> zur Erhöhung <strong>der</strong> Luftfeuchtigkeit führt. Hohe Luftfeuchtigkeitswerte können bei<br />
<strong>der</strong> Anwendung <strong>der</strong> Haude-Formel zu einer Unterschätzung <strong>der</strong> tatsächlichen<br />
Evapotranspirationshöhe führen. An Tagen mit hoher Luftfeuchtigkeit errechnet sich<br />
nach <strong>der</strong> Haude-Formel zu oft ein Evapotranspirationswert < 0,5 mm pro Tag. Während<br />
dies in den Wintermonaten ein realistischer Wert ist, führt er bei <strong>der</strong> Berechnung<br />
<strong>der</strong> Evapotranspiration während <strong>der</strong> Vegetationszeit zu einer deutlichen Unterschätzung<br />
<strong>der</strong> tatsächlichen Höhe. BEINHAUER (1998) gibt für die Vegetationsperiode<br />
Werte von mindestens 1 mm pro Tag an. KETELSEN & WIDMOSER (1998) ebenso wie<br />
SCHEKORR (1971) hinterfragen ebenfalls die Eignung des Haude-Verfahrens aufgrund<br />
zu geringer Evapotranspirationswerte.<br />
Eine vergleichende Betrachtung <strong>der</strong> Ergebnisse mit den für ähnliche Klimaregionen<br />
beschriebenen Literaturwerten zeigt eine gute Übereinstimmung. Bei dem Vergleich<br />
mm<br />
140<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
-20<br />
-40<br />
-60<br />
-80<br />
-100<br />
-120<br />
JAN FEB MRZ APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ<br />
Differenz<br />
Nkor 1975<br />
Etpot Haude<br />
67
68<br />
muß betont werden, daß die zitierten Autoren für ihre Untersuchungen wesentlich<br />
kürzere Zeitreihen benutzten (JELINEK, 1999A; KETELSEN & WIDMOSER, 1998). Dadurch<br />
wird die Vergleichbarkeit eingeschränkt, ist aber aufgrund <strong>der</strong> relativ geringen<br />
zeitlichen Variabilität <strong>der</strong> Evapotranspiration zulässig. KETELSEN & WIDMOSER (1998)<br />
errechneten die potentielle Verdunstung nach Turc-Wendling (DVWK, 1996) mit 620<br />
mm/a für die Insel Föhr. JELINEK ermittelte für das Einzugsgebiet <strong>der</strong> Stör potentielle<br />
Evapotranspirationswerte von 590 mm/a, indem er das Verfahren nach Turc-<br />
Wendling benutzte (DVWK, 1996). Zugleich gibt er einen Wert von 610 mm/a nach<br />
dem Verfahren von Penman und eine Haude-Verdunstung von 492 mm/a an. Die<br />
Berechnungsergebnisse nach dem Verfahren nach Turc-Wendling weichen demnach<br />
nur um ca. 3 % von denen nach dem Verfahren nach Penman ab, während es bei<br />
dem Verfahren nach Haude ca. 20 % sind.<br />
Da allgemein die Methode nach Penman, insbeson<strong>der</strong>e in ihrer Weiterentwicklung<br />
als Penman-Monteith-Gleichung, als eine <strong>der</strong> besten Methoden zur indirekten Bestimmung<br />
<strong>der</strong> potentiellen Evapotranspiration gilt (SCHRÖDTER, 1985), ist für die Bestimmung<br />
<strong>der</strong> potentiellen Evapotranspiration die Methode nach Turc-Wendling besser<br />
geeignet als die nach Haude.<br />
Für das Untersuchungsgebiet wurde in einem weiteren Schritt die klimatische Wasserbilanz<br />
für die Zeitreihe 1961-1990 flächendifferenziert berechnet. Hierzu wurden<br />
als Eingangsdaten die mittleren jährlichen Nie<strong>der</strong>schlagshöhen (korrigierte Datensätze)<br />
und die potentiellen Evapotranspirationshöhen nach Turc-Ivanov bzw. Haude<br />
verwandt. Die Bilanz ergibt bei <strong>der</strong> Verwendung <strong>der</strong> potentiellen Evapotranspiration<br />
nach Turc-Ivanov ein Gebietsmittel von 228 mm/a im Vergleich zu 298 mm/a nach<br />
Haude.<br />
4.3 Geologie und Bodenkunde<br />
Die Überführung <strong>der</strong> geologischen und bodenkundlichen Karten in ein digitales Format<br />
ist Voraussetzung für die Umsetzung <strong>der</strong> Berechnungen in einem GIS. Da die<br />
Verfahren hinsichtlich ihrer Anfor<strong>der</strong>ung an die pedogenen Parameter sehr unterschiedlich<br />
sind, werden im ersten Schritt die Kartenrandlegenden sehr detailliert<br />
klassifiziert. Die Zuordnung <strong>der</strong> bodenkundlichen und hydrologischen Parameter zu<br />
den aufgenommenen geologischen und bodenkundlichen Kartiereinheiten fand in<br />
Zusammenarbeit mit dem LANU, Abteilung Boden, statt. Hierbei finden Flurabstand,<br />
Bodenartengruppen und nutzbare Feldkapazitäten (nFK) Berücksichtigung; letztere<br />
werden aus den Bodenartengruppen abgeleitet (AGBODEN, 1996) und teilen sich<br />
gemäß Tabelle 12 auf:
Tabelle 12: Bodenartengruppen nach (AGBODEN, 1996)<br />
Bodenarten-<br />
Bodenartengruppe Bodenartenuntergruppen Symbol nFK<br />
hauptgruppe<br />
[mm/dm]<br />
Ton (t) Lehmtone (lt) Tt, Tu2, Tl, Ts2 15<br />
Schlufftone (ut) Tu3, Tu4, Lt3 15<br />
Lehm (l) Tonlehme (tl) Lts, Ts3, Ts4 15<br />
Normallehme (ll) Lt2, Ls2, Ls3, Ls4 15<br />
Sandlehme (sl) Slu, Sl4, St3 17<br />
Schluff (u) Tonschluffe (tu) Ut4, Lu 22<br />
Lehmschluffe (lu) Ut2, Ut3, Uls 22<br />
Sandschluffe (su) Us, Uu 22<br />
Sand (ss) Schluffsande (us) Su3, Su4 22<br />
Lehmsande (ls) St2, Su2; Sl2, Sl3 17<br />
Reinsande (ss) fS, fSms<br />
18<br />
gSfS, mSfs<br />
14<br />
mS, mSgs<br />
8<br />
Neben den mineralischen Substraten werden auch organische berücksichtigt. Diese<br />
glie<strong>der</strong>n sich in Hochmoortorfe (hh) mit einer nutzbaren Feldkapazität von 60 mm/dm<br />
bzw. 30 mm/dm für Nie<strong>der</strong>moortorfe (nh). Verfahren, die als Eingangsparameter die<br />
nutzbare Feldkapazität benötigen sind: die Grundwasserneubildungsermittlung anhand<br />
von VEKOS-Daten, das Verfahren nach BAGROV/GLUGLA (1975) und das Verfahren<br />
nach RENGER & WESSOLEK (1990). Die Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH<br />
(1975), DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) und PROKSCH (1990) benötigen als Klassifizierung<br />
Bodenartengruppen, die sich aus <strong>der</strong> Auswertung <strong>der</strong> geologischen Karten ergibt.<br />
Die Zuordnung <strong>der</strong> Bodenarten zu den Bodentypen terrestrische Sandböden o<strong>der</strong><br />
terrestrische Lehmböden richtet sich bei dem Verfahren nach SCHROEDER &<br />
WYRWICH (1990) nach <strong>der</strong> Höhe <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität. Terrestrische Sandböden<br />
sind durch eine niedrige bis höchstens mittlere nutzbare Feldkapazität gekennzeichnet.<br />
Terrestrische Lehmböden beinhalten alle Böden mit mehr als mittlerer<br />
nutzbarer Feldkapazität. Problematisch ist, daß SCHROEDER & WYRWICH (1990) keine<br />
konkreten Werte für ihre Einteilung definieren. Die bodenkundliche Kartieranleitung<br />
KA 4 <strong>der</strong> AGBODEN (1996) bietet nur für die Einstufung <strong>der</strong> pflanzenverfügbaren<br />
Wassermenge (nFKWe) Tabellen an, die abhängig vom effektiven Wurzelraum und<br />
damit vom Bewuchs sind. Da <strong>der</strong> Bewuchs im Verfahren von SCHROEDER & WYRWICH<br />
(1990) erst in einem späteren Arbeitsschritt einfließt, wird bei <strong>der</strong> Klassifizierung von<br />
einem effektiven Wurzelraum von 10 dm ausgegangen (RENGER & STREBEL, 1980).<br />
Ferner muß beachtet werden, daß das Verfahren 1990 entstand, während die KA 4<br />
aus dem Jahre 1996 stammt. Geowissenschaftliche Fortschritte machten eine Neuauflage<br />
<strong>der</strong> damaligen Kartieranleitung KA 3 (AGBODEN, 1982) erfor<strong>der</strong>lich, die unter<br />
an<strong>der</strong>em Neuklassifizierungen <strong>der</strong> Bodenkennwerte mit sich brachte.<br />
69
70<br />
In Tabelle 13 sind die unterschiedlichen Einstufungen <strong>der</strong> pflanzenverfügbaren Wassermenge<br />
einan<strong>der</strong> gegenüber gestellt.<br />
Tabelle 13: Gegenüberstellung <strong>der</strong> Einstufung <strong>der</strong> nFKWe nach KA 3 und KA 4<br />
KA 3<br />
nFKWe [mm]<br />
Bezeichnung<br />
KA 4<br />
nFKWe [mm]<br />
< 50 sehr gering < 60<br />
50 – 90 gering 60 – 140<br />
90 – 140 mittel 140 –220<br />
140 – 200 hoch 220 – 300<br />
> 200 sehr hoch > 300<br />
Die neue Einstufung führt dazu, daß Böden, denen ehemalig eine mittlere pflanzenverfügbare<br />
Wassermenge zugeordnet wurde, jetzt eine geringe besitzen. Aufgrund<br />
dieser Verschiebung wird für die Klassifizierung die KA 3 herangezogen, da im Jahre<br />
1990 nur diese als Richtlinie für SCHROEDER & WYRWICH (1990) fungieren konnte.<br />
Dadurch ergibt sich eine Diskrepanz zwischen <strong>der</strong> Ableitung <strong>der</strong> Bodenartengruppen<br />
nach KA 4 und <strong>der</strong> Einstufung <strong>der</strong> pflanzenverfügbare Wassermenge nach KA 3.<br />
Diese kann vernachlässigt werden, da es im Bereich <strong>der</strong> Bodenartengruppen zu keinen,<br />
für unsere Berechnungen, relevanten Verschiebungen in <strong>der</strong> Neuauflage <strong>der</strong><br />
bodenkundlichen Kartieranleitung kam (KRAHMER ET AL., 1995).<br />
Es ergibt sich folgende Zuordnung <strong>der</strong> Bodenartengruppen:<br />
Terrestrische Lehmböden: Lehmtone, Schlufftone, Tonlehme, Normallehme,<br />
Sandlehme, Tonschluffe, Lehmschluffe, Sandschluffe, Schluffsande, Lehmsande<br />
Terrestrische Sandböden: Reinsande ggf. auch Kiese.<br />
Abbildung 33 zeigt die räumliche Verteilung <strong>der</strong> Substrattypen nach SCHROEDER &<br />
WYRWICH (1990) im Untersuchungsgebiet.
Abbildung 33: Substrattypenverteilung nach SCHROEDER & WYRWICH (1990)<br />
Im nördlichen Teil dominieren die terrestrischen Lehmböden, während <strong>der</strong> mittlere<br />
Bereich durch einen kleinräumigen Wechsel <strong>der</strong> Substrate gekennzeichnet ist. Semiterrestrische<br />
Böden zeichnen das Gewässernetz nach. Insgesamt werden 55 %<br />
als terrestrische Lehmböden, 32 % terrestrische Sandböden und 13 % als semiterrestrische<br />
Böden klassifiziert.<br />
Fehler<br />
Voraussetzung für eine Nutzung <strong>der</strong> Tabellenwerte <strong>der</strong> Kartieranleitung ist die eindeutige<br />
Ansprache einer durch das Bodenartendiagramm definierten Bodenart, <strong>der</strong><br />
Lagerungsdichte und des Humusgehaltes (RENGER, 1971). Die Ansprache <strong>der</strong> Bo-<br />
71
72<br />
denarten für die geologischen Kartenblätter erfolgt anhand <strong>der</strong> Kartenrandlegenden.<br />
Hierbei ist es möglich, daß es zu Fehlklassifizierungen kommt. Dies betrifft insbeson<strong>der</strong>e<br />
die älteren Kartenblätter, da trotz intensiver Nachforschungen nicht herausgefunden<br />
werden konnte, nach welchen Normen am Anfang diese Jahrhun<strong>der</strong>ts kartiert<br />
wurde. Ein Vergleich mit Karten <strong>der</strong> Reichsbodenschätzung (BENNE ET AL., 1990;<br />
REICHE & SCHLEUß, 1992) ist im Rahmen <strong>der</strong> Arbeit nicht möglich<br />
Die Ableitung <strong>der</strong> Bodenkennwerte aus bodenkundlichen Kartenblätter ist wesentlich<br />
einfacher. In den Kartenrandlegenden werden den Einheiten die wichtigsten Bodenkennwerte<br />
zugeordnet. Die Zuordnung beruht meist auf punktuellen Analyseergebnissen,<br />
welche anhand von Richtwerten eingestuft werden. Zum größten Teil konnten<br />
die Klassifizierungen direkt übernommen werden. Bei einzelnen Einheiten wurde,<br />
seitens des LANUs, Korrekturen bzgl. <strong>der</strong> Höhe <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität vorgenommen.<br />
Grundsätzlich ist davon auszugehen, daß die bodenkundliche Kartengrundlage<br />
gut für die gewünschten Berechnungen geeignet ist.<br />
HENNINGS (1991) untersuchte die Güte <strong>der</strong> vom Nie<strong>der</strong>sächsischem Landesamt herausgebenen<br />
bodenkundlichen Kartenblätter (1 : 25 000), unter Berücksichtigung <strong>der</strong><br />
räumlichen Variabiliät. Er fand heraus, daß 63 % <strong>der</strong> untersuchten Einheiten taxonomisch<br />
richtig angesprochen wurden. Bezüglich ökologisch relevanter bodenphysikalischer<br />
Parameter beurteilt er die Klassifizierung optimistischer. Er weist jedoch<br />
darauf hin, daß tiefenbezogene Angaben hinsichtlich Horizontlagen sehr variabel und<br />
damit sehr schwer zu erfassen sind. Die Kenntnis über eventuelle Horizontwechsel<br />
innerhalb <strong>der</strong> ersten Meter im Boden ist für die Bestimmung des effektiven Wurzelraumes<br />
wichtig. Hierbei wirken sich Horizontwechsel bzw. Än<strong>der</strong>ungen <strong>der</strong> Lagerungsdichte<br />
innerhalb eines Horizontes sehr stark aus (LEHNARDT & BRECHTEL, 1980;<br />
SCHREY, 1996).<br />
Aufgrund <strong>der</strong> Datengrundlage und <strong>der</strong> Größe des Untersuchungsraumes ist es we<strong>der</strong><br />
bei den bodenkundlichen noch bei den geologischen Eingangsdaten möglich,<br />
mehrschichtige Böden zu berücksichtigen. Im folgenden wird die Ableitung <strong>der</strong><br />
nutzbare Feldkapazität sowie des Bodentyps nach SCHROEDER & WYRWICH (1990)<br />
anhand geologischer bzw. bodenkundlicher Ausgangsdaten bewertet.<br />
4.3.1 Vergleich bodenkundlicher und geologischer Karten<br />
Der Vergleich von bodenkundlichen und geologischen Karten als Datengrundlage für<br />
die Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> wird für die<br />
Kartenblätter: 2429-Siebeneichen, 2529-Büchen und 2629-Lauenburg durchgeführt.<br />
Es wird eine Gegenüberstellung <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazitäten vorgenommen und<br />
eine Differenzenkarte erstellt. Hierbei entspricht <strong>der</strong> aus <strong>der</strong> bodenkundlichen Karte<br />
abgeleitete Wert hun<strong>der</strong>t Prozent. Die Differenz wird als prozentuale Abweichung<br />
von geologischer zu bodenkundlicher Auswertung angegeben. In Abbildung 34a ist
exemplarisch für das Kartenblatt Siebeneichen das Ergebnis dargestellt. Im Mittel<br />
wird für dieses Kartenblatt die nutzbare Feldkapazität um 23 % unterschätzt, während<br />
die Differenz bei den an<strong>der</strong>en Kartenblättern wesentlich geringer ist. Für alle<br />
drei Kartenblätter ergibt sich ein Mittel von – 2 %. Für eine flächendifferenzierte Betrachtung<br />
ist die Angabe eines Mittelwertes ungeeignet, da sich Über- und Unterschätzungen<br />
ausgleichen. Abbildung 34a verdeutlicht diese Problematik. Auffallend<br />
ist, daß in <strong>der</strong> Regel die bodenkundliche Auswertung höhere nutzbare Feldkapazitätswerte<br />
liefert als die geologische. Grund hierfür ist, daß die bodenkundliche Substratansprache<br />
größeres Augenmerk auf den Feinkornanteil legt. Dieser bestimmt im<br />
hohen Maße die Höhe <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität. In Bereichen von Flußnie<strong>der</strong>ungen<br />
kommt es zu positiven Differenzen. Hier wird anhand <strong>der</strong> geologischen Karte oft<br />
als Substrat Nie<strong>der</strong>moor angegeben (nFK = 30 mm/dm). Die bodenkundliche Karte<br />
weist in solchen Gebieten als Bodentyp Anmoorgleye bzw. Gleye aus, die nutzbare<br />
Feldkapazitäten zwischen 15 und 22 mm/dm besitzen. Dies entspricht Differenzen<br />
von 35 bis 100 %.<br />
Die Differenzenkarte zwischen geologischer und bodenkundlicher Substrattypenauswertung<br />
ist in Abbildung 34b exemplarisch für das Kartenblatt Siebeneichen dargestellt.<br />
Die Substrattypen werden nach SCHROEDER & WYRWICH (1990) in terrestrische<br />
Sand- bzw. Lehmböden sowie semiterrestrische Böden unterteilt.<br />
Für das Kartenblatt Siebeneichen gilt, daß 41 % <strong>der</strong> Fläche gleich klassifiziert werden.<br />
Diesen stehen 44 % <strong>der</strong> Fläche entgegen, die anhand <strong>der</strong> geologischen Auswertung<br />
als terrestrische Sandböden angesprochen werden, während es sich nach<br />
bodenkundlicher Einordnung um terrestrische Lehmböden handelt. Bei rund 10 %<br />
<strong>der</strong> Fläche werden semiterrestrische Böden nach <strong>der</strong> bodenkundlichen Karte in <strong>der</strong><br />
geologischen als terrestrische Böden ausgewiesen. Umgekehrt sind es 5 %. Für alle<br />
drei Kartenblätter verschiebt sich <strong>der</strong> prozentuale Flächenanteil <strong>der</strong> gleich klassifizierten<br />
Bereiche auf 45 %, bzw. auf 34% für die Einteilung terrestrischer Sandböden<br />
(Geologie) anstatt terrestrischer Lehmböden (Bodenkunde). Grund für diese Abweichungen<br />
ist auch hier die genauere Erfassung des Feinkornanteils, insbeson<strong>der</strong>e<br />
des Schluffes, durch die bodenkundliche Aufnahme.<br />
73
74<br />
Differenzenkarte <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität zwischen<br />
bodenkundlicher und geologischer Kartenrandlegendenauswertung<br />
Legende<br />
50%<br />
Differenzenkarte zwischen geologischer und bodenkundlicher Substrattypenauswertun<br />
Legende<br />
geol. sB : bodk. tL (4.3 %)<br />
geol. tS : bodk. t L (44.3 %)<br />
geol. sB : bodk. tS (0.6 %)<br />
gleich ( 41.3 %)<br />
geol. tS : bodk. sB (6.5 %)<br />
geo l. tL : b odk. tS (0.1 %)<br />
geo l. tL : b odk. sB (2 .9 %)<br />
tS = terrestrische Sandböden<br />
tL = terrestrische Lehmböden<br />
sB = semiterrestriche Böden<br />
(%) = prozent uale Flächenanteile<br />
Abbildung 34: a) Differenzenkarte <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität zwischen bodenkundlicher und geologischer<br />
Kartenrandlegendenauswertung. b) Differenzenkarte zwischen geologischer<br />
und bodenkundlicher Substrattypenauswertung nach SCHROEDER & WYRWICH (1990)<br />
N<br />
N<br />
a)<br />
0 1 2kmKilometers b)<br />
0 1 2kmKilometers
4.4 Ableitung <strong>der</strong> Landnutzungsklassen aus ATKIS-Daten<br />
Für die Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> werden<br />
die im ATKIS-Datensatz unterschiedenen 39 Arten <strong>der</strong> Landnutzung in 12 Klassen<br />
zusammengefaßt (vgl. Anhang 4.4.1). Bei <strong>der</strong> Ausweisung von versiegelten Flächen<br />
wird, in Anlehnung an verschiedene Autoren, <strong>der</strong> Versiegelungsgrad <strong>der</strong> jeweiligen<br />
Fläche bestimmt (PRANZAS, 1995; SCHOSS, 1977; WESSOLEK, 1988; WESSOLEK,<br />
1992). Die Flächen werden einer <strong>der</strong> drei Versiegelungsklassen (leicht, mittel, stark)<br />
zugeordnet. Diese Einordnung kann, aufgrund <strong>der</strong> uneinheitlichen Objektdefinition<br />
<strong>der</strong> ATKIS-Daten, nicht ausschließlich über die OBJART-Nummer (vgl. Anhang<br />
4.4.1) erfolgen. Die versiegelten Flächen werden in Arc/Info selektiert und dargestellt.<br />
Im nächsten Schritt wird anhand des topographischen Kartenmaterials <strong>der</strong> Versiegelungsfaktor<br />
überprüft bzw. bei einer falschen Klassifizierung ermittelt. Dasselbe gilt<br />
für die Objektdefinition „beson<strong>der</strong>e Nutzung“.<br />
Abbildung 35 stellt die prozentuale Verteilung <strong>der</strong> Landnutzung im Untersuchungsgebiet<br />
dar. Es dominiert mit großem Abstand die Nutzung als Ackerland. Darauf folgen<br />
Wald- und Grünlandnutzung. Die letzte, flächenmäßig bedeutende Nutzung ist<br />
die Gruppe <strong>der</strong> Wohnbauflächen. Im ländlich geprägten Raum handelt es sich überwiegend<br />
um Einzelhaussiedlungsgebiete mit großem Garten.<br />
Mischwald<br />
12.2<br />
Nadelwald<br />
3.8<br />
Laubwald<br />
5.1<br />
Grünland<br />
14.2<br />
teilvers.<br />
9.7<br />
sonst.<br />
0.9<br />
Acker<br />
54.1<br />
Abbildung 35: prozentuale Flächenanteile <strong>der</strong> zusammengefaßten Landnutzungsgruppen an <strong>der</strong> Gesamtfläche<br />
Die starke landwirtschaftliche Nutzung des Untersuchungsraumes wird auch in Abbildung<br />
36 deutlich. Daneben sind auch ausgedehnte zusammenhängende Waldgebiete<br />
zu erkennen. Die größten Waldgebiete sind <strong>der</strong> Sachsenwald und das Naturschutzgebiet<br />
Hahnheide. Bedeutende Anteile an Wohnbauflächen befinden sich im<br />
Bereich Reinbek (westlich des Sachsenwaldes) und in Bargteheide bzw. Ahrensburg.<br />
75
76<br />
Abbildung 36: Landnutzung im Untersuchungsgebiet
4.5 Ableitung des Gewässernetzes aus ATKIS-Daten<br />
Die Ableitung des Fließgewässernetzes ist für die Abschätzung des Direktabflusses,<br />
sowie <strong>der</strong> Beurteilung <strong>der</strong> Grundwasserbeeinflussung notwendig. Gebiete, die in<br />
Vorfluternähe liegen, weisen meist höhere Direktabflüsse und geringe Flurabstände<br />
auf. Die Festlegung des Gewässernetzes wird ebenfalls anhand <strong>der</strong> ATKIS-Daten<br />
vorgenommen werden. Diese beinhalten neben den flächenhaften Objekten auch<br />
linienförmige Objekte (OBJEKTTYP7). Analog zu den obengenannten Arbeitsschritten<br />
werden zur Erstellung <strong>der</strong> Datenebene „Gewässernetz“ die ATKIS-Kacheln aneinan<strong>der</strong><br />
gefügt. Aus dem Attribut-Katalog <strong>der</strong> linienförmigen Objekte wird nur die<br />
Objektgruppe 5100 benötigt, die sämtliche Gewässerläufe beinhaltet.<br />
Es folgt die Überprüfung des erstellten Gewässernetzes anhand <strong>der</strong> topographischen<br />
Karten. Da die ATKIS-Daten <strong>der</strong> ersten Ausbaustufe (DLM 25/1) fehlerbehaftet sind,<br />
müssen unterbrochene Linienzüge geschlossen bzw. neu zugeordnet werden. Anschließend<br />
werden vorfluternahe Gebiete ausgewiesen. Dieser Arbeitsschritt erfolgt<br />
in Arc/Info durch die Benutzung einer „Buffer-Funktion“. Hierbei wird um die Linienzüge<br />
ein Band gelegt. Die Entfernung ist auf beiden Seiten des Vorfluters äquidistant<br />
und wird orthogonal zum Linienverlauf bestimmt. Für die Ausweisung <strong>der</strong> vorfluternahen<br />
Gebiete wird eine Entfernung von 250 m gewählt. Diese Distanz wurde für das<br />
Untersuchungsgebiet aufgrund des Isohypsenverlaufes in den topographischen<br />
Karten abgeschätzt.<br />
4.6 Berechnung morphometrischer Reliefparameter aus dem DGM<br />
4.6.1 Reliefenergie<br />
Das Relief einer Fläche wirkt sich auf ihren Wasserhaushalt aus. Insbeson<strong>der</strong>e das<br />
Abflußverhalten wird vom Relief mitbestimmt. Die Reliefenergie ist eine mit Hilfe <strong>der</strong><br />
EDV zu bestimmende Gebietskenngröße. Sie erfaßt die Oberflächengestalt in ihrer<br />
Dreidimensionalität. Die Reliefenergie wird auch Reliefindex genannt (SCHMIDT,<br />
1988). Sie ist definiert als die Höhendifferenz zwischen dem höchsten und dem niedrigsten<br />
Punkt im Gelände pro km 2 und wird angegeben in <strong>der</strong> Einheit m/km 2 .<br />
Die Bestimmung <strong>der</strong> Reliefenergie erfolgt durch die statistische Auswertung von Bezugsflächen<br />
mit einer Kantenlänge von 20*20 Gridpunkten (1 km*1km). Diese werden<br />
über die Datenbasis „gelegt“ (Befehl „blockrange“). In den 1 km 2 großen Bezugsflächen<br />
wird die maximale und die minimale Höhe bestimmt und <strong>der</strong>en Differenz<br />
gebildet (vgl. Abbildung 37).<br />
77
78<br />
1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00<br />
1.40 1.50 1.60 1.70 2.10 1.90<br />
1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80<br />
1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70<br />
1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60<br />
1.00 1.10 0.90<br />
1.30 1.40 1.50<br />
Abbildung 37: Schematische Darstellung <strong>der</strong> Bestimmung <strong>der</strong> Reliefenergie: links <strong>Ermittlung</strong> von<br />
Minimum und Maximum <strong>der</strong> Gridwerte in 1km 2 ; rechts Zuordnung <strong>der</strong> Differenz zu einem<br />
Gridpunkt mit <strong>der</strong> Fläche 1km 2 . Die Anzahl <strong>der</strong> Höhenmittelwerte wurde in <strong>der</strong><br />
Darstellung verringert.<br />
Durch die Mittelbildung über die Fläche einer Rasterzelle von 50*50 m 2 (bedingt<br />
durch die Eingangsdaten) werden das Minimum und das Maximum <strong>der</strong> im Gelände<br />
tatsächlich vorliegenden Fläche im Modell geglättet. Die mit dem Befehl „blockrange“<br />
ermittelte Spanne zwischen maximalen und minimalen Werten entspricht <strong>der</strong> Spanne<br />
gemittelter Höhenwerte. Zwischen den realen Minima und Maxima liegt eine größere<br />
Spanne. Dadurch kommt es bei <strong>der</strong> Ableitung <strong>der</strong> Reliefenergie aus einem digitalen<br />
Höhenmodell zu einer systematischen Unterschätzung. Die Unterschätzung ist vernachlässigbar<br />
gering.<br />
Ergebnis dieser Auswertung ist ein flächendeckendes Polygoncoverage von Quadraten<br />
mit einer Kantenlänge von 1 km, denen in <strong>der</strong> Datenbank die Höhe <strong>der</strong> Reliefenergie<br />
zugeordnet ist. Abbildung 38 zeigt das Ergebnis.<br />
1.20
Abbildung 38: Verteilung <strong>der</strong> Reliefenergie im Untersuchungsraum Südost-Holstein<br />
Deutlich ist <strong>der</strong> Geestabbruch im Süden zur Elbe hin zu erkennen. Im Zentrum des<br />
Untersuchungsgebietes wirken sich die Hügel im Bereich des Staatsforstes Trittau<br />
auf die Reliefenergie aus, welche mit einer Höhe von knapp 100 m ihre Umgebung<br />
um 30 – 40 m überragen . Bei diesen Hügeln handelt es sich um einen Nunatak aus<br />
saaleeiszeitlichem Moränenmaterial. Im Nordosten bewirkt <strong>der</strong> Übergang von <strong>der</strong><br />
weichseleiszeitlichen Hochfläche zu den Eisstauseebildungen im Bereich des Göldenitzer<br />
Mühlenbaches eine erhöhte Reliefenergie. Insgesamt ist das Relief relativ ruhig.<br />
Die durchschnittliche Reliefenergie beträgt 16 m/km 2 . Während im Bereich des<br />
Östlichen Hügellandes mittlere bis hohe Reliefenergien eher Hügel nachzeichnen,<br />
werden sie in <strong>der</strong> Hohen Geest zumeist durch das Einschneiden von Fließgewässern<br />
in ebenerem Gelände erzeugt. Anhand des Verteilungsmusters <strong>der</strong> Reliefenergie ist<br />
kein deutlicher Unterschied zwischen <strong>der</strong> Hohen Geest und dem Östlichen Hügelland<br />
zu erkennen.<br />
79
80<br />
4.6.2 Hangneigung und Hangexposition<br />
Für die Berechnung <strong>der</strong> Hangneigung und <strong>der</strong> Hangexposition wird die TIN Datei in<br />
ein Lattice umgewandelt (Befehl: „tinlattice“), dessen Zellgröße 50*50 m 2 beträgt. Die<br />
Hangexposition kann mit <strong>der</strong> Default-Einstellung in Arc/Info berechnet werden. Für<br />
die Ableitung <strong>der</strong> Hangneigung werden folgende Hangneigungsstufen gewählt (vgl.<br />
Tabelle 14):<br />
Tabelle 14: Hangneigungsstufen nach (AGBODEN, 1996)<br />
Bezeichnung Hangneigung in Grad Hangneigung in %<br />
nicht geneigt 58%<br />
Der Befehl für die Generierung <strong>der</strong> Hangneigungskarte lautet „slope“, <strong>der</strong> für die Exposition<br />
„aspect“.<br />
4.6.3 Ableitung des Gewässernetzes und <strong>der</strong> oberirdischen Einzugsgebiete<br />
Bevor aus einem DGM das Gewässernetz und das oberirdische Einzugsgebiet berechnet<br />
werden kann, müssen abflußlose Senken eliminiert werden. Die abflußlosen<br />
Senken entsprechen entwe<strong>der</strong> den natürlichen Gegebenheiten o<strong>der</strong> sind auf Interpolationsfehler<br />
bei <strong>der</strong> Erstellung des DGM zurückzuführen. In einem Abflußmodell<br />
führen <strong>der</strong>artige Bereiche zu Fehlern, da sie eine „Sackgasse“ für den oberirdischen<br />
Abfluß bilden. Aus diesem Grunde werden alle Senken gefüllt und <strong>der</strong> Fließweg als<br />
kürzest möglicher Weg über die so entstandene Ebene gerechnet (Arc/Info GRID-<br />
Befehl: „fill sink“).<br />
Innerhalb <strong>der</strong> Fließwegsuche wird für jedes Element im Einzugsgebiet <strong>der</strong> Nachbar<br />
(Nachfolger) gesucht, zu dem das größte positive Gefälle besteht (Befehl: „flowdirection“).<br />
Da jedes Element nur genau einen Nachfolger haben kann, ist die Fließrichtung<br />
in Richtung des Gefälles fest definiert. In <strong>der</strong> Gegenrichtung besteht die Eindeutigkeit<br />
nicht, da ein Nachfolger mehrere „Oberlieger“ haben kann (vgl. Abbildung<br />
39).
Abbildung 3 9 : Fließwege in einem DGM gestützten Fließmodell; nach ( L EMPERT ET AL ., 1994)<br />
Zusätzlich zur Berechnung des Einzugsgebietes benötigt Arc/Info dessen tiefsten<br />
Punkt (Auslaßpunkt). Ausgehend von diesem Punkt, ergibt sich das Einzugsgebiet<br />
durch die Gesamtheit <strong>der</strong> Zellen, die in diesen Punkt entwässern (Befehl „watershed“).<br />
Die dieses Gebiet umgrenzende Linie entspricht <strong>der</strong> Wasserscheide.<br />
Zur Ableitung des Gewässernetzes wird die mit dem Befehl „flowdirection“ ermittelte<br />
Fließrichtung mit dem Befehl „flowaccumulation“ weiter berechnet (VON WERNER,<br />
1995). Bei diesem Arbeitsschritt wird für jede Zelle die Anzahl <strong>der</strong> Oberlieger ermittelt,<br />
die sich in dieser sammeln. Das Gewässernetz im Modell ist dann, an <strong>der</strong> hohen<br />
Anzahl <strong>der</strong> Oberlieger einer Zelle zu identifizieren. Die minimale Anzahl an Oberliegern,<br />
ab <strong>der</strong> das modellierte Gewässernetz möglichst genau das tatsächliche nachbildet,<br />
muß empirisch bestimmt werden. Im Einzugsgebiet des Pegels Rehagen/Bunsbach<br />
entspricht dies einer Anzahl von 200 Oberliegern.<br />
Fehler<br />
Im Untersuchungsgebiet treten bei <strong>der</strong> Festlegung <strong>der</strong> oberirdischen Einzugsgebiete<br />
von gewässerkundlichen Pegelanlagen anhand des DGM50 Fehler auf. Diese beruhen<br />
auf den geringen Reliefunterschieden im Untersuchungsraum. Diese werden bei<br />
<strong>der</strong> vorliegenden Auflösung des Rasters nicht ausreichend wie<strong>der</strong>gegeben<br />
(BRONSTERT ET AL., 1999). Dies führt zur falschen Berechnung <strong>der</strong> Fließrichtung und<br />
allen darauf basierenden Berechnungen. In Abbildung 40 ist das tatsächliche oberirdische<br />
Einzugsgebiet des Pegels Rehagen/Bunsbach hellgrau unterlegt und<br />
dunkelgrau, das aus dem DGM50 abgeleitete. Die starke Abweichung zwischen den<br />
beiden Gebieten beruht auf <strong>der</strong> falschen Ableitung des Gewässernetzes nach dem<br />
DGM50. Obwohl das berechnete Gewässernetz in weiten Bereichen mit dem tatsächlichen<br />
gut übereinstimmt, führen kleinere Abweichungen zu großen Fehlern.<br />
Diese Abweichungen führen im Beispiel dazu, daß <strong>der</strong> nördliche Bereich unterstromig<br />
des Pegels in den Bunsbach entwässert.<br />
81
82<br />
Abbildung 40: Vergleich zwischen berechnetem und tatsächlichem Einzugsgebiet des Pegels<br />
Rehagen/Bunsbach<br />
Aus diesem Grunde müssen die Einzugsgebiete aus vorliegenden Kartenmaterial<br />
abgeleitet und digitalisiert werden (vgl. Kap. 4.8.). Das Gewässernetz entstammt den<br />
ATKIS-Daten (vgl. Kap. 4.5).<br />
4.7 Festlegung <strong>der</strong> oberirdischen Einzugsgebiete<br />
Gewässerkundliche<br />
Pegelanlage<br />
Einzugsgebiet aus<br />
den ATKIS-Daten<br />
Einzugsgebiet aus<br />
dem DGM50<br />
Gewässernetz aus<br />
dem DGM<br />
Gewässernetz aus<br />
den ATKIS-Daten<br />
Um die oberirdischen Einzugsgebiete in ein GIS zu überführen, wurde auf Karten im<br />
Maßstab 1 : 25 000 des LANUs zurückgegriffen, in denen die Einzugsgebiete aller<br />
Vorfluter per Hand festgelegt wurden. Dieses Kartenwerk bildet die Vorstufe eines<br />
gewässerkundlichen Flächenverzeichnisses. Tiefster Punkt <strong>der</strong> Teileinzugsgebiete<br />
ist entwe<strong>der</strong> die Einmündung in ein an<strong>der</strong>es Fließgewässer o<strong>der</strong> markante Punkte,<br />
wie Brücken. Gewässerkundliche Pegelanlagen sind nicht berücksichtigt. Die Grenzen<br />
wurden digitalisiert und die daraus entstehenden Flächen numeriert. Zusätzlich<br />
eingefügt wurden die Teileinzugsgebiete <strong>der</strong> Pegel bis zu einer bereits bestehenden<br />
Grenze (vgl. Abbildung 41).<br />
Die Numerierung erfolgt unter <strong>der</strong> Maßgabe, daß das Gesamteinzugsgebiet eines<br />
Pegels mit einer numerischen von-bis-Abfrage (im Beispiel 9001-9005) im GIS ermittelt<br />
und zu einer Fläche verschmolzen werden kann.
9004<br />
9005<br />
9002<br />
9003<br />
9001<br />
Abflußmeßstelle<br />
Einzugsgebietsgrenzen<br />
9000<br />
Nachdigitalisierte Einzugsgebietsgrenze<br />
Abbildung 41: Festlegung und Digitalisierung <strong>der</strong> oberirdischen Einzugsgebiete<br />
Fehler<br />
Eine beson<strong>der</strong>e Problematik im Tiefland stellt die Bestimmung des unterirdischen<br />
Einzugsgebietes (Eu) dar. Die Ableitung des Eu aufgrund des Eo kann im Tiefland zu<br />
großen Fehlern führen (JELINEK, 1999B; WASSERWIRTSCHAFT, 1996). Ein Vergleich<br />
von gemessenen und aus dem Wasserhaushalt errechneten Gesamtabflüssen ergaben<br />
nicht plausible Abweichungen (BAUMANN ET AL., 1970) die auf die unterschiedliche<br />
Größe und Lage des Eu. und des Eo zurückgeführt wurde. Das zur Bestimmung<br />
des Eu notwendige dichte Netz von Grundwasserbeobachtungsmeßstellen ist im<br />
Untersuchungsgebiet nicht vorhanden, so daß trotz <strong>der</strong> o.g. Problematik die Eo zur<br />
Berechnung <strong>der</strong> Flächenspenden herangezogen werden.<br />
4.7.1 Beschreibung <strong>der</strong> Einzugsgebiete<br />
Die den 16 gewässerkundlichen Meßstellen zugehörigen Einzugsgebiete weisen hinsichtlich<br />
<strong>der</strong> Geologie, <strong>der</strong> Morphologie, <strong>der</strong> Landnutzung und <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe<br />
unterschiedliche Ausprägungen auf. Um den Einfluß <strong>der</strong> genannten Gebietskenngrößen<br />
auf das Abflußgeschehen und die Grundwasserneubildung bestimmen zu<br />
können, wird ihr Flächenanteil bzw. ihre Höhe bezogen auf das Einzugsgebiet ermittelt.<br />
Die Lage <strong>der</strong> Einzugsgebiete ist in Abbildung 13 dargestellt.<br />
Reliefenergie<br />
Die Reliefenergie gibt die Differenz zwischen dem höchsten und dem niedrigsten<br />
Höhenwert in einem Raster von 1 km Kantenlänge an. Die Ableitung <strong>der</strong> RE auf <strong>der</strong><br />
Grundlage des Digitalen Geländemodells (DGM50) ist in Kap. 4.6.1 ausführlich beschrieben.<br />
Die durchschnittliche Reliefenergie <strong>der</strong> Einzugsgebiete ist in Tabelle 15<br />
aufgeführt.<br />
83
84<br />
Tabelle 15: Durchschnittliche Reliefenergie (RE) <strong>der</strong> Einzugsgebiete<br />
Einzugsgebiet Ort Gewässer Durchschnittliche<br />
Reliefenergie (RE)<br />
[m/km 2 ]<br />
1 Ziegelhof Grinau 13<br />
2 Quellenthal 2 Barnitz 15<br />
3 Breitenfelde Priesterbach 15<br />
4 Nusse Steinau 16<br />
5 Poetrau Steinau 12<br />
6 Luetau Linau 19<br />
7 Luetau Augraben 18<br />
8 Aumuehle Schwarze Au 12<br />
9 Hamfelde Bille 16<br />
10 Rehagen Bunsbach 10<br />
11 Witzeeze Linau 19<br />
12 Quellenthal Beste 13<br />
13 Buenningstedt Hunnau 13<br />
14 Neritz Nor<strong>der</strong>beste 15<br />
15 Sachsenwaldau Bille 17<br />
16 Reinbek Bille 20<br />
1 – 16 Gesamt 15<br />
Die Reliefenergie <strong>der</strong> Einzugsgebiete liegen in einem schmalen Bereich zwischen 10<br />
und 20 m/km 2 . Der Mittelwert des Gesamtgebietes liegt bei 15 m/km 2 . Insgesamt ist<br />
das Relief relativ ausgeglichen. Die höchsten durchschnittlichen Reliefenergien <strong>der</strong><br />
Einzugsgebiete liegen im Süden des Untersuchungsraumes. Dies sind die Einzugsgebiete<br />
<strong>der</strong> Pegel <strong>der</strong> Linau, dem Augraben, <strong>der</strong> Bille bei Reinbeck. In diesem Bereich<br />
erzeugen die relativ tief eingeschnittenen Vorfluter die hohe Reliefenergie. Die<br />
Erosionsbasen dieser Vorfluter bilden die tiefliegenden Bereiche <strong>der</strong> San<strong>der</strong>flächen<br />
in <strong>der</strong> Nähe des Elbe-Lübeck-Kanals (Linau) bzw. die Marsch (Bille).<br />
Im zentralen Bereich (Einzugsgebiete Steinau / Pötrau und Schwarze Au / Aumühle)<br />
herrscht ein ausgeglichenes Relief vor. Der geologische Aufbau wird dort durch saalekaltzeitliche<br />
San<strong>der</strong>- bzw. Moränen gebildet. Auf diese Bildungen wirkte die Erosion<br />
länger. Dadurch wurden die Reliefunterschiede ausgeglichen. Im nördlichen Bereich<br />
des Untersuchungsraumes kommt <strong>der</strong> kuppige bis wellige Habitus des weichselkaltzeitlichen<br />
Östlichen Hügellandes mit mittlerer Reliefenergie zum Ausdruck.
Landnutzung<br />
Die Landnutzung ist ein Faktor, <strong>der</strong> die Entstehung und Art des Abflusses beeinflußt.<br />
In Kapitel 4.4 wird auf die Landnutzung im Gesamtuntersuchungsgebiet eingegangen.<br />
Die Abbildung 36 zeigt die Karte <strong>der</strong> flächenmäßig häufigsten Landnutzungsformen.<br />
Die Verteilung <strong>der</strong> Flächenanteile <strong>der</strong> verschiedenen Landnutzungen in den<br />
einzelnen Einzugsgebieten differiert stark. In <strong>der</strong> Tabelle 16 sind die verschiedenen<br />
Landnutzungsformen und ihr Flächenanteil in den Einzugsgebieten aufgeführt.<br />
Tabelle 16: Flächenanteile <strong>der</strong> Hauptlandnutzungsarten <strong>der</strong> Einzugsgebiete <strong>der</strong> gewässerkundlichen<br />
Abflußmeßstellen<br />
Einzugsgebiet Ort Gewässer Acker Grünland Wald Wohnfläche<br />
[%] [%] [%] [%]<br />
1 Ziegelhof Grinau 79 10 10 1<br />
2 Quellenthal 2 Barnitz 76 9 13 3<br />
3 Breitenfelde Priesterbach 80 8 9 2<br />
4 Nusse Steinau 64 15 19 2<br />
5 Poetrau Steinau 60 20 19 2<br />
6 Luetau Linau 66 5 25 4<br />
7 Luetau Augraben 67 17 14 2<br />
8 Aumuehle Schwarze Au 31 7 56 5<br />
9 Hamfelde Bille 53 13 32 2<br />
10 Rehagen Bunsbach 56 23 9 12<br />
11 Witzeeze Linau 78 11 10 1<br />
12 Quellenthal Beste 68 17 10 5<br />
13 Buenningstedt Hunnau 48 14 20 18<br />
14 Neritz Nor<strong>der</strong>beste 67 24 6 3<br />
15 Sachsenwaldau Bille 49 16 30 5<br />
16 Reinbek Bille 24 9 43 24<br />
1 – 16 Gesamt 60 14 20 6<br />
Insgesamt überwiegt die landwirtschaftliche Nutzung als Ackerland. Beson<strong>der</strong>s deutlich<br />
ist dies im Norden (Einzugsgebiet 1; 2; 12 und 14) sowie im äußersten Süden (6;<br />
7 und 11) und im Einzugsgebiet 3. In Gebieten mit einem hohen Flächenanteil an<br />
Ackernutzung tritt die forstliche Nutzung zumeist zurück.<br />
Bedeutende Waldanteile von 33% und mehr werden im Bereich des Sachsenwaldes<br />
und des Naturschutzgebietes Hahnheide erreicht (Einzugsgebiete 8; 9; 15 und 16 ).<br />
Gegenüber dem Gebietsmittelwert erhöhte Grünlandflächenanteile sind am deutlichsten<br />
im Nordwesten (Einzugsgebiet 10 und 14) zu erkennen.<br />
Substratinformation zu den Deckschichten<br />
Das Bodensubstrat bestimmt unter an<strong>der</strong>em das Infiltrationsvermögen des Bodens.<br />
Dadurch nimmt es Einfluß auf das Abflußgeschehen. Da das Infiltrationsvermögen<br />
auch von an<strong>der</strong>en, im Rahmen dieser Untersuchung nicht zu bestimmenden, Größen<br />
gesteuert wird (vgl. Kapitel 2.1.3), ist eine weitere Differenzierung <strong>der</strong> Substratklassen<br />
nicht sinnvoll.<br />
85
86<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1990) schlagen zur Berechnung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
eine Differenzierung <strong>der</strong> Böden in terrestrischen Sandboden (tS), terrestrischen<br />
Lehmboden (tL) und semiterrestrischen Boden (sB) vor. Diese Klassen erlauben<br />
eine grobe Einschätzung des Infiltrationsvermögens <strong>der</strong> Böden. In Tabelle 17<br />
sind die Flächenanteile <strong>der</strong> Bodenklassen aufgeführt.<br />
Tabelle 17: Flächenanteile <strong>der</strong> Substratklassen nach dem Verfahren von SCHROEDER & WYRWICH<br />
(1990)<br />
Einzugsgebiet Ort Gewässer tL tS sB<br />
[%] [%] [%]<br />
1 Ziegelhof Grinau 83 5 11<br />
2 Quellenthal 2 Barnitz 87 4 8<br />
3 Breitenfelde Priesterbach 56 32 12<br />
4 Nusse Steinau 69 10 19<br />
5 Poetrau Steinau 33 52 15<br />
6 Luetau Linau 54 43 3<br />
7 Luetau Augraben 53 28 19<br />
8 Aumuehle Schwarze Au 43 49 7<br />
9 Hamfelde Bille 64 21 15<br />
10 Rehagen Bunsbach 75 16 8<br />
11 Witzeeze Linau 67 22 12<br />
12 Quellenthal Beste 77 10 13<br />
13 Buenningstedt Hunnau 65 25 9<br />
14 Neritz Nor<strong>der</strong>beste 75 14 10<br />
15 Sachsenwaldau Bille 41 48 10<br />
16 Reinbek Bille 44 44 12<br />
1 – 16 Gesamt 62 27 12<br />
Die Einzugsgebiete mit einem hohen Anteil an terrestrischen Lehmböden liegen ausnahmslos<br />
im Norden des Untersuchungsgebietes. Die geologischen Karten (vgl. Tabelle<br />
8) weisen dort vorwiegend glazigene, schlecht sortierte Sedimente <strong>der</strong> weichselkaltzeitlichen<br />
Moränen aus. Im südlichen Teil des Untersuchungsraumes ist das<br />
Bodenmosaik vielfältiger durch das Nebeneinan<strong>der</strong> glazigener und fluvioglazigener<br />
(meist sandig, sortierter) Sedimente. Hohe Flächenanteile von semiterrestrischen<br />
Böden hängen mit größeren Moorgebieten (Düvenseer Moor im Einzugsgebiet 4)<br />
o<strong>der</strong> mit größeren vernäßten Bereichen in <strong>der</strong> Nähe eines Vorfluters zusammen<br />
(Einzugsgebiet 7) zusammen.<br />
4.8 Auswertung <strong>der</strong> Abflußdaten im Bereich Südost-Holstein nach verschiedenen<br />
Verfahren<br />
Die Betrachtung des Abflusses ist bei Wasserhaushaltsuntersuchungen mit dem Ziel<br />
<strong>der</strong> <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> von großer Bedeutung. So stellt <strong>der</strong><br />
Basisabfluß den Teil des Gesamtabflusses dar, <strong>der</strong> aus dem Grundwasser stammt.<br />
Er dient als vergleichende Größe für die aus dem Wasserhaushalt berechneten<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n.
4.8.1 Auswertung <strong>der</strong> mittleren monatlichen Niedrigwasserabflüsse (WUNDT,<br />
1958)<br />
Die <strong>Ermittlung</strong> des Basisabflusses anhand <strong>der</strong> gewässerkundlichen Hauptzahl des<br />
mittleren monatlichen Niedrigwasserabflusses, wie von WUNDT (1958) beschrieben,<br />
ist ein schnell durchzuführendes statistisches Verfahren (MoMNQ-Verfahren). Durch<br />
die Abtrennung des Basisabflusses vom Gesamtabfluß bleibt als Differenz <strong>der</strong> Direktabfluß.<br />
Dieser beinhaltet im wesentlichen den Oberflächenabfluß und den Zwischenabfluß.<br />
Grundwasserentnahmen<br />
Grundwasserentnahmen in den Einzugsgebieten müssen berücksichtigt werden, da<br />
diese entnommenen Wassermengen den Basisabfluß entsprechend verringern. Im<br />
Untersuchungsgebiet wird das Grundwasser für die Brauch- und Trinkwasserversorgung<br />
vielfältig genutzt. Neben kleineren bzw. temporären Entnahmen werden auch<br />
große Mengen Grundwasser mehr o<strong>der</strong> weniger kontinuierlich geför<strong>der</strong>t. Die bedeutendsten<br />
Wasserwerke, <strong>der</strong>en För<strong>der</strong>ung sich auf gewässerkundliche Pegelanlagen<br />
im Untersuchungsgebiet auswirkt, sind mit ihrer durchschnittlichen jährlichen Entnahmemengen<br />
in Tabelle 18 aufgeführt.<br />
Tabelle 18:Die bedeutendsten Grundwasserentnahmen im Untersuchungsgebiet. Entnahmemengen<br />
aus OTTO (1997), genutzte Grundwasserleiter aus AGSTER (1996).<br />
Wasserwerk Entnahmemenge Einzugsgebiet genutzter % vom Basisa bGrundwasserfluß<br />
nach<br />
leiter<br />
MoMNQ<br />
Großhansdorf 10 * 10 6 m 3 /a Hunnau quart. Sande 140%<br />
Großensee 4,5 * 10 6 m 3 /a Sachsenw. Bille untere Braunkohlensande<br />
Bad Oldesloe 1,5 * 10 6 m 3 /a Barnitz quart. Sande 25%<br />
Es wird von <strong>der</strong> vereinfachten Annahme ausgegangen, daß die Grundwasserentnahmen<br />
sich nur in dem Einzugsgebiet, in dem sie vorgenommen werden, auswirken.<br />
Die Entnahmemengen werden den Basisabfluß zugerechnet (vgl. Tabelle 19).<br />
Der nach dem MoMNQ-Verfahren ermittelte Basisabfluß <strong>der</strong> Pegel Bille / Sachsenwaldau<br />
und Barnitz / Quellenthal werden um ca. 25 % erhöht. Wesentlich stärker<br />
wirkt sich die Grundwasserentnahme im Einzugsgebiet <strong>der</strong> Hunnau am Pegel in<br />
Bünningstedt aus. Hier übersteigt die Grundwasserentnahme den am Pegel ermittelten<br />
Basisabfluß um ca. 150 %.<br />
Auswertungsergebnisse <strong>der</strong> Jahresabflüsse<br />
Die Auswertung <strong>der</strong> Abflußdaten <strong>der</strong> Pegel mit einer geringeren Beobachtungszeit ist<br />
entsprechend unsicher und mit Vorsicht zu interpretieren. In <strong>der</strong> Tabelle 19 sind die<br />
Ergebnisse <strong>der</strong> Auswertungen nach dem MoMNQ-Verfahren aufgeführt. Die Ergebnisse<br />
von Pegeln mit kürzerer Beobachtungsdauer sind kursiv hervorgehoben.<br />
22%<br />
87
88<br />
Tabelle 19:Ergebnisse <strong>der</strong> Abflußdatenauswertung nach dem MoMNQ-Verfahren<br />
Pegel Gewässer<br />
QGesamt<br />
[mm/a]<br />
QDirekt<br />
[mm/a]<br />
QBasis<br />
[mm/a]<br />
% QDirekt v.<br />
QGesamt<br />
Ziegelhof Grinau 314 248 66 79<br />
Quellenthal 2 Barnitz 357 221 136 62<br />
Breitenfelde Priesterbach 126 83 43 66<br />
Nusse Steinau 224 148 76 66<br />
Poetrau Steinau 243 101 143 41<br />
Luetau Linau 100 68 32 68<br />
Luetau Augraben 72 46 26 64<br />
Aumuehle Schwarze Au 139 84 55 60<br />
Hamfelde Bille 261 155 106 59<br />
Rehagen Bunsbach 200 111 89 56<br />
Witzeeze Linau 252 83 169 33<br />
Quellenthal Beste 297 172 125 58<br />
Buenningstedt Hunnau 370 101 268 27<br />
Neritz Nor<strong>der</strong>beste 338 153 186 45<br />
Sachsenwaldau Bille 280 82 198 29<br />
Reinbek Bille 411 109 302 27<br />
Gebietsm ittel 249 123 126 53<br />
Die von OTTO (1997) ermittelten Abflußwerte <strong>der</strong> vom Hamburger gewässerkundlichen<br />
Dienst betriebenen Pegel sind in <strong>der</strong> nachfolgenden Tabelle 20 zusammengefaßt.<br />
Die dargestellten Ergebnisse sind mit denen aus Tabelle 19 nur bedingt vergleichbar,<br />
da sie mit Hilfe des Verfahrens von KILLE (1958) erhoben wurden. Bei diesem<br />
Verfahren ist <strong>der</strong> Direktabflußanteil systematisch höher als beim Verfahren nach<br />
WUNDT (1958). Die Einzugsgebiete dieser Pegelanlagen liegen zum Teil außerhalb<br />
Schleswig-Holsteins, so daß keine vollständigen Informationen zur Landnutzung, <strong>der</strong><br />
Geologie und <strong>der</strong> Morphologie vorliegen. Bei den weiteren Auswertungen bleiben<br />
diese Pegel aus den genannten Gründen unberücksichtigt.<br />
Tabelle 20:Ergebnisse <strong>der</strong> Abflußdatenauswertung nach dem Verfahren von KILLE (1958) aus OTTO<br />
(1997).<br />
Pegel Gewässer<br />
QGesamt<br />
[mm/a]<br />
QDirekt<br />
[mm/a]<br />
QBasis<br />
[mm/a]<br />
% QDirekt v.<br />
QGesamt<br />
Brügkamp Ammersbek 665 195 470 29<br />
Wohldorfer Damm Bredenbek 304 201 103 66<br />
Wilhelm-Grimm-Str. Wandse 180 109 71 61<br />
An <strong>der</strong> Steinbek Glin<strong>der</strong> Au 248 167 81 67<br />
Der Gesamtabfluß und die Abflußkomponenten zeigen in ihrer Höhe eine starke<br />
räumliche Variabilität. Der Direktabfluß stellt im Mittel gut die Hälfte des Gesamtabflusses<br />
dar, teilweise auch deutlich mehr (Tabelle 19 u. Tabelle 20).
In den Anhängen 4.8.1 und 4.8.2 sind Karten mit <strong>der</strong> räumlichen Verteilung des Basis-<br />
und des Direktabflusses abgebildet. Die höchste Basisabflußspende beträgt<br />
ca. 300 mm/a, die niedrigste 26 mm/a. Im arithmetischen Mittel beträgt sie<br />
126 mm/a. Tendenziell ist <strong>der</strong> Baisabfluß im Süden des Untersuchungsgebietes mit<br />
weniger als 100 mm/a geringer als im übrigen Gebiet. Dort kann ein Grundwasserabstrom<br />
am Geestrand zur topographisch tiefer gelegenen Elbe als Ursache <strong>der</strong><br />
niedrigen Basisabflüsse angenommen werden (OTTO, 1997). Daraus folgt, daß die<br />
unterirdischen Einzugsgebiete dort kleiner sind als die oberirdischen.<br />
Die höchsten Basisabflußspenden treten im Untersuchungsraum in den Einzugsgebieten<br />
<strong>der</strong> Pegel Bille / Reinbek und Hunnau / Bünningstedt auf. Diese gewässerkundlichen<br />
Pegelanlagen befinden sich im Bereich <strong>der</strong> Elbe bzw. Alster Talaue. Diese<br />
Nie<strong>der</strong>ungsbereiche werden aufgrund <strong>der</strong> grundwasserhydraulischen Verhältnisse<br />
sowohl von pleistozänen, als auch von tertiären Grundwasserleitern angeströmt<br />
(OTTO, 1997). Analog zu den höher gelegenen Einzugsgebieten mit sehr niedrigen<br />
Basisabflußspenden weicht auch bei diesen das oberirdische Einzugsgebiet vom<br />
unterirdischen ab, was in diesem Fall zu hohen Basisabflußspenden führt. Beim Einzugsgebiet<br />
Hunnau / Bünningstedt ist es auch möglich, daß die Grundwasserentnahme<br />
sich nicht, o<strong>der</strong> nicht nur im Einzugsgebiet auswirkt und somit die Korrektur<br />
des Basisabflusses zu hohe Werte erzeugt. Das Einzugsgebiet des Bunsbaches /<br />
Rehagen hebt sich mit relativ niedrigen Basisabflußspenden von seiner Umgebung<br />
ab. OTTO (1997) erklärt dies mit influenten Verhältnissen im Verlauf des Bunsbaches.<br />
Die Direktabflußspende variiert zwischen minimal ca. 50 mm/a und maximal ca.<br />
250 mm/a. Im Durchschnitt beträgt sie 123 mm/a. Der Direktabfluß ist im Norden des<br />
Untersuchungsraumes relativ hoch. Dort werden großflächig Abflußspenden von<br />
mehr als 150 mm/a erreicht. Im Süden sind die Direktabflußspenden tendenziell<br />
niedriger. Im zentralen Bereich ergibt sich ein uneinheitliches Bild. Die Direktabflußspenden<br />
können in erster Linie mit <strong>der</strong> Verteilung <strong>der</strong> Substrate erklärt werden. Lehmige<br />
Substrate treten im Norden flächendeckend auf.<br />
Winter- / Sommerabflüsse<br />
Die Auswertung <strong>der</strong> Niedrigwasserabflüsse nach dem Verfahren von WUNDT (1958)<br />
erlaubt eine differenzierte Betrachtung <strong>der</strong> hydrologischen Winter- und Sommerhalbjahre.<br />
In <strong>der</strong> Tabelle 21 sind die differenzierten Abflußkomponenten aufgeführt.<br />
89
90<br />
Tabelle 21: Jahreszeitlich differenzierte Abflußkomponenten.<br />
Pegel Nr<br />
QGesamt<br />
Sommer<br />
[mm/a]<br />
QGesamt<br />
Winter<br />
[mm/a]<br />
QDirekt<br />
Sommer<br />
[mm/a]<br />
QDirekt<br />
Winter<br />
[mm/a]<br />
QBasis<br />
Sommer<br />
[mm/a]<br />
QBasis<br />
Winter<br />
[mm/a]<br />
Ziegelhof 1 54 260 38 210 16 50<br />
Quellenthal 2 2 89 269 43 178 45 90<br />
Breitenfelde 3 22 104 14 69 8 35<br />
Nusse 4 42 181 26 122 16 60<br />
Poetrau 5 76 167 31 69 45 97<br />
Luetau 6 22 78 11 57 11 21<br />
Luetau 7 13 60 8 39 5 21<br />
Aumuehle 8 43 96 25 59 18 37<br />
Hamfelde 9 63 198 35 120 28 78<br />
Rehagen 10 55 144 29 82 26 62<br />
Witzeeze 11 101 150 46 37 55 113<br />
Quellenthal 12 69 228 35 137 34 91<br />
Buenningstedt 13 140 229 24 77 116 152<br />
Neritz 14 124 214 44 108 79 106<br />
Sachsenwaldau 15 99 180 21 60 78 120<br />
Reinbek 16 168 242 14 95 155 147<br />
Der Gesamtabfluß besteht ca. zwischen 30 und 70 % aus Direktabfluß (vgl. Tabelle<br />
21). Bis auf den Linau / Witzeeze (Pegel 11) ist <strong>der</strong> Anteil im hydrologischen Winterhalbjahr<br />
höher als im Sommerhalbjahr (s. Abbildung 42). Dies ist eine Folge des Vegetationseinflusses<br />
auf die Abflußbildung. Der höhere Bedeckungsgrad wirkt sich im<br />
Sommer reduzierend auf die Direktabflußbildung aus. Im Sommer beeinflußt <strong>der</strong> Direktabfluß<br />
die Höhe <strong>der</strong> Grundwasserneubildung nur geringfügig, da die Direktabflußhöhe<br />
absolut wie relativ weniger bedeutend ist als im Winter.<br />
% Q-direkt von Q-gesamt<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16<br />
Pegel Nr.<br />
hydr. Winterhalbjahr<br />
hydr. Sommerhalbjahr<br />
Abbildung 42: Direktabflußanteile vom Gesamtabfluß in den hydrologischen Halbjahren. Numerierung<br />
wie in Tabelle 21.
WUNDT (1958) bezeichnet die sommerlichen Niedrigwasserabflüsse als Mindestwert<br />
des Abflusses, <strong>der</strong> das ganze Jahr über zur Verfügung steht. Die Abbildung 43 zeigt,<br />
daß das Verhältnis zwischen Winter- und Sommerbasisabfluß im Untersuchungsgebiet<br />
sehr uneinheitlich ist. Der Winterbasisabfluß übersteigt den Sommerbasisabfluß<br />
bis zum Fünffachen. Der ganzjährig zur Verfügung stehende Mindestabfluß liegt<br />
demnach teilweise deutlich unter den Basisabflüssen <strong>der</strong> hydrologischen Jahre.<br />
Häufigkeit<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0<br />
Winter- / Sommerbasisabfluß<br />
Abbildung 43: Quotienten <strong>der</strong> Winter- und Sommerbasisabflüsse <strong>der</strong> Einzugsgebiete<br />
4.8.2 Auswertung <strong>der</strong> Abflußganglinien nach dem Au-Linien-Verfahren<br />
(NATERMANN, 1951)<br />
NATERMANN (1951) entwickelte ein einfach auszuführendes graphisches Verfahren<br />
zur Separation <strong>der</strong> Abflußkomponenten aus <strong>der</strong> Abflußganglinien. Der Verfahrensgang<br />
ist in Kapitel 3.2.1 beschrieben. ALTMANN & BÜNZ (1971) betonen die Eignung<br />
des Verfahrens in Einzugsgebieten mit quartären Deckschichten je<strong>der</strong> Größe. Im<br />
Gegensatz zum MoMNQ-Verfahren berücksichtigt das Au-Linien-Verfahren einen<br />
Anstieg des Basisabflusses unter einem Abflußpeak. Durch Isotopenuntersuchungen<br />
konnte dieser Anstieg nachgewiesen werden (VON LOEWENSTERN, 1998).<br />
Die Auswertungsergebnisse sind in Tabelle 22 aufgeführt. Der Beobachtungszeitraum<br />
ist weitgehend identisch mit dem, <strong>der</strong> für die Auswertung nach dem MoMNQ-<br />
Verfahren gewählt wurde (vgl. Abbildung 14). Die Abflußhöhen in Tabelle 22 sind<br />
integrale Werte des Gesamteinzugsgebietes <strong>der</strong> Pegel. Oberhalb liegende Einzugsgebiete<br />
wurden nicht abgezogen.<br />
91
92<br />
Tabelle 22: Auswertung <strong>der</strong> Abflußganglinie nach dem Verfahren von NATERMANN (1951). Die Differenz<br />
bezieht sich auf die Höhe des Basisabflusses.<br />
Pegel Gewässer<br />
QGesamt<br />
[mm/a]<br />
QDirekt<br />
[mm/a]<br />
QBasis<br />
[mm/a]<br />
Differenz vom<br />
MoMNQ-<br />
Verfahren [%]<br />
Ziegelhof Grinau 316 245 71 8<br />
Quellenthal 2 Barnitz 332 190 142 4<br />
Breitenfelde Priesterbach 113 66 47 10<br />
Nusse Steinau 223 138 85 12<br />
Poetrau Steinau 242 87 155 9<br />
Luetau Linau 86 46 40 34<br />
Luetau Augraben 72 37 35 34<br />
Aumuehle Schwarze Au 138 68 71 28<br />
Hamfelde Bille 268 138 130 22<br />
Rehagen Bunsbach 183 87 96 9<br />
Witzeeze Linau 113 58 55 10<br />
Quellenthal Beste 311 156 155 6<br />
Buenningstedt Hunnau 212 83 129 15<br />
Neritz Nor<strong>der</strong>beste 336 143 193 4<br />
Sachsenwaldau Bille 248 94 154 6<br />
Reinbek Bille 293 139 155 9<br />
Gebiet Mittel 218 111 107<br />
Die Differenz zwischen den aus dem MoMNQ-Verfahren und dem Au-Linien-<br />
Verfahren ermittelten Basisabflüssen liegt zumeist unter 10 %. Höhere Abweichungen<br />
treten bei sehr niedrigen Basisabflüssen auf. Die absolute Differenz beträgt auch<br />
in diesen Einzugsgebieten zwischen 5 und 15 mm/a und ist damit gering. Vergleichende<br />
Untersuchungen zwischen den genannten Verfahren ergaben teilweise noch<br />
geringere Unterschiede (Altmann & Bünz, 1971, Lingemann, 1972).<br />
Auswertung einzelner hydrologischer Jahre<br />
Das Au-Linien-Verfahren erlaubt im Gegensatz zum MoMNQ-Verfahren die Auswertung<br />
einzelner hydrologischer Jahre o<strong>der</strong> auch Halbjahre. Die Jahresnie<strong>der</strong>schläge<br />
für die Einzugsgebiete wurden aus dem flächengewichteten Mittel <strong>der</strong> mittels Kriging<br />
regionalisierten unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schläge für die einzelnen Jahre gewonnen. Die<br />
Abbildung 44 zeigt beispielhaft am Pegel Barnitz / Quellenthal den Zusammenhang<br />
zwischen <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe und Direkt-, Basis- bzw. Gesamtabflußspende.
Q [mm/a]<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
400 500 600 700 800 900 1000<br />
Jahresnie<strong>der</strong>schlag [mm/a]<br />
Qbasis<br />
Qgesamt<br />
Qdirekt<br />
Abbildung 44: Abfluß–Nie<strong>der</strong>schlag–Diagramm des Pegels Barnitz / Quellenthal. Die durchgezogenen<br />
Lineien entsprechen den Regressionsgeraden.<br />
Der Zusammenhang entspricht den Erwartungen, da die jährliche Verdunstung in<br />
unserem Klimabereich annähernd konstant ist (SCHÖNWIESE, 1994). Somit wirkt sich<br />
die Differenzen <strong>der</strong> Jahresnie<strong>der</strong>schläge im starken Maße auf den Abfluß aus. Der<br />
Gesamtabfluß zeigt eine Steigung von etwa 0,9. DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) erklären<br />
Steigungen < 1 mit einem Speichereinfluß in den Einzugsgebieten. Folgt einem<br />
nie<strong>der</strong>schlagsreichen ein nie<strong>der</strong>schlagsarmes Jahr, so sind die Gesamtabflüsse im<br />
nie<strong>der</strong>schlagsarmen relativ höher. Der Speicher ist in diesem Fall am Ende des Jahres<br />
weniger gefüllt ist als zu Beginn. Im umgekehrten Fall werden relativ geringere<br />
Gesamtabflußmengen beobachtet, da <strong>der</strong> Speicher aufgrund des nie<strong>der</strong>schlagsarmen<br />
Vorjahres erst gefüllt wird. Der Speichereffekt ist in diesem Einzugsgebiet Pegel<br />
Barnitz / Quellenthal zu vernachlässigen. Der größte Teil <strong>der</strong> Einzugsgebiete zeigt<br />
hingegen einen starken Speichereffekt (Steigungen zwischen 0,4 und 0,7). Dies<br />
zeigt, daß eine Abschätzung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> für einzelne Jahre<br />
aus den Basisabflüssen nur unter Berücksichtigung möglicher Speichereffekte<br />
durchgeführt werden darf. Aus <strong>der</strong> Abbildung 44 wird ersichtlich, daß die Ausgleichsgerade<br />
des Direktabflusses eine größere Steigung hat als die des Basisabflusses.<br />
Dies ist bei <strong>der</strong> überwiegenden Anzahl <strong>der</strong> Einzugsgebiete <strong>der</strong> Fall. Der Direktabflußanteil<br />
erhöht sich somit gegenüber dem Basisabflußanteil mit höheren Nie<strong>der</strong>schlägen.<br />
In <strong>der</strong> Tabelle 23 sind die Korrelationskoeffizienten von Nie<strong>der</strong>schlag und den Abflußkomponenten<br />
aufgeführt. Die Berechnungen werden für Einzugsgebiete durchgeführt,<br />
die keine an<strong>der</strong>en mit einschließen und einen ausreichend langen Beobachtungszeitraum<br />
haben.<br />
93
94<br />
Tabelle 23: Pearson-Korrelationskoeffizienten <strong>der</strong> Abflußkomponenten nach MoMNQ-Verfahren) mit<br />
dem Nie<strong>der</strong>schlag<br />
Pegel<br />
Qgesamt<br />
[mm/a]<br />
Qbasis<br />
[mm/a]<br />
Qdirekt<br />
[mm/a]<br />
Grinau Ziegelhof 0,77 0,86 0,72<br />
Barnitz Quellenthal 2 0,93 0,90 0,90<br />
Priesterbach Breitenfelde 0,62 0,43 0,67<br />
Steinau Nusse 0,87 0,72 0,87<br />
Steinau Poetrau 0,80 0,69 0,79<br />
Augraben Luetau 0,59 0,58 0,54<br />
Bille Hamfelde 0,86 0,82 0,84<br />
Hunnau Buenningstedt 0,83 0,79 0,70<br />
Nor<strong>der</strong>beste Neritz 0,84 0,79 0,83<br />
Bille Sachsenwaldau 0,81 0,71 0,81<br />
Bei den meisten Einzugsgebieten korreliert <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlag am stärksten mit dem<br />
Gesamtabfluß und am geringsten mit dem Basisabfluß. Deutlich ist die geringe Korrelation<br />
aller Abflußkomponenten mit dem Nie<strong>der</strong>schlag bei den Pegeln Augraben /<br />
Luetau und Priesterbach / Breitenfelde. Dies sind die Einzugsgebiete mit den geringsten<br />
Abflußspenden (vgl. Tabelle 23). Die Zuverlässigkeit dieser gewässerkundlichen<br />
Pegelanlage ist in Frage zu stellen.<br />
Zusammenfassend betrachtet ergeben sich aus den Auswertungen nach dem Au-<br />
Linien-Verfahren folgende Schlußfolgerungen:<br />
Die Bestimmung <strong>der</strong> jährlichen Variabilität <strong>der</strong> Grundwasserneubildung über den<br />
Basisabfluß ist aufgrund des Speichereffektes <strong>der</strong> Einzugsgebiete nicht möglich.<br />
Die langjährigen Unterschiede <strong>der</strong> Auswertungsergebnisse im Vergleich zum<br />
MoMNQ-Verfahren sind absolut gesehen meist gering, so daß das MoMNQ-<br />
Verfahren aufgrund seiner praktikableren Ausführung geeigneter ist.<br />
Die Höhe des Direktabflußanteils steigt mit zunehmen<strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe.<br />
Es gibt zwei gewässerkundliche Pegelanlagen die keinen signifikanten Zusammenhang<br />
zwischen dem Nie<strong>der</strong>schlag und dem Abfluß erkennen lassen. Diese<br />
sind offensichtlich durch an<strong>der</strong>e, nicht bestimmte Faktoren gestört.<br />
4.9 Zusammenhänge zwischen den Abflußkomponenten und Gebietsparametern<br />
Ziel <strong>der</strong> Auswertung <strong>der</strong> Abflußdaten ist die <strong>Ermittlung</strong> des Gesamtabflusses und <strong>der</strong><br />
Komponenten Basis- und Direktabfluß. Hierbei ist im folgenden zu klären, ob die Höhe<br />
und das Mengenverhältnis des Basis- und des Direktabflusses als Jahreswert<br />
bzw. als Jahresmittelwert auf gebietsabhängige Eingangsgrößen wie Landnutzung,<br />
Aufbau <strong>der</strong> geologischen Deckschichten und Relief zurückzuführen ist.
4.9.1 Bivariate Korrelation<br />
Die bivariate Korrelation ermöglicht Aussagen über die Abhängigkeit zweier Variablen<br />
voneinan<strong>der</strong>. Der Anhang 4.9.1 zeigt die Korrelationstabelle <strong>der</strong> jährlichen und<br />
<strong>der</strong> Sommer/Winter differenzierten Abflußkomponenten mit den aufgenommenen<br />
Gebietskenngrößen. Dabei wurden die Landnutzungs- und Bodentypinformationen<br />
auch in Kombination aufgenommen (z.B. prozentualer Flächenanteil von Acker auf<br />
Lehm usw.). Die Abbildung 45 zeigt ausgewählte Variablen in einem Streudiagramm.<br />
%<br />
Sandböden<br />
%<br />
Lehmböden<br />
%<br />
GW-böden<br />
Reliefenergie<br />
Gesamtabfluß<br />
Direktabfluß<br />
Basisabfluß<br />
Abbildung 45: Streudiagramme von ausgewählten Abfluß- und Gebietskenngrößen;<br />
GW-Böden = grundwasserbeeinflusste Böden.<br />
Der Zusammenhang zwischen den Flächenanteilen <strong>der</strong> Hauptbodentypen Lehm und<br />
Sand untereinan<strong>der</strong> sowie <strong>der</strong> Abflußkomponenten mit dem Gesamtabfluß ist darauf<br />
zurückzuführen, daß sie sich gegenseitig aus- bzw. einschließen. Die Landnutzung<br />
im Untersuchungsgebiet ist teilweise vom Substrat <strong>der</strong> Deckschichten abhängig. Die<br />
ackerbauliche Nutzung überwiegt, entsprechend <strong>der</strong> besseren Eignung, auf lehmigen<br />
Substraten, während Sandböden eher forstwirtschaftlich genutzt werden (vgl. Tabelle<br />
24).<br />
Tabelle 24:Pearson-Korrelationskoeffizienten <strong>der</strong> Gebietskenngrößen;<br />
tS: terrestrischer Sandboden, tL: terrestrischer Lehmboden,<br />
sB: semiterrestrische Böden<br />
%-tL %-tS %-sB<br />
%-Acker +0,56 -0,58 +0,13<br />
%-Wald -0,62 +0,65 -0,18<br />
%-Weide +0,12 -0,21 +0,36<br />
95
96<br />
Teilweise werden Zusammenhänge zwischen den Gebietskenngrößen und den<br />
Abflußkomponenten deutlich. In Tabelle 25 sind ausgewählte Variablen und <strong>der</strong>en<br />
Korrelationskoeffizienten aufgeführt. Ein hoher Flächenanteil an Lehmböden geht<br />
einher mit hohem Direktabfluß (Pearson-Korrelationsfaktor: 0,74). Dies ist ein Hinweis<br />
auf die Entstehung von Landoberflächenabfluß infolge <strong>der</strong> Überschreitung <strong>der</strong><br />
Infiltrationskapazität <strong>der</strong> Böden (HORTON-Oberflächenabfluß), wie in Kapitel 2.1.3<br />
beschrieben. Sandböden bewirken hingegen einen signifikant geringeren Oberflächenabfluß.<br />
Tabelle 25:Pearson-Korrelationskoeffizienten. Signifikante Korrelationen grau hinterlegt.<br />
tS: terrestrischer Sandboden, tL: terrestrischer Lehmbode, sB: semiterrestrische<br />
Böden<br />
Gesamtabfluß Direktabfluß Basisabfluß<br />
%-Acker +0,22 +0,32 -0,48<br />
%-Wald -0,09 -0,29 +0,16<br />
%-Weide +0,13 +0,01 +0,15<br />
%-tS -0,31 -0,74 +0,13<br />
%-tL +0,32 +0,74 -0,11<br />
%-sB -0,06 +0,02 -0,09<br />
Reliefenergie +0,03 -0,35 +0,20<br />
Die Höhe des Basisabflusses korreliert mit keiner <strong>der</strong> aufgenommenen Gebietskenngrößen<br />
signifikant. Dies läßt auf einen komplexen Zusammenhang zwischen den<br />
Einflußgrößen und <strong>der</strong> Grundwasserneubildung schließen. Insbeson<strong>der</strong>e sind hier<br />
die Problematik <strong>der</strong> Bestimmung <strong>der</strong> unterirdischen Einzugsgebiete und die Beeinflussung<br />
durch Grundwasserentnahmen o<strong>der</strong> Einleitungen in die Vorfluter zu nennen.<br />
Die Reliefenergie wirkt sich nicht auf die Höhe <strong>der</strong> Abflußkomponenten aus. Dies<br />
stellt den Ansatz zur Abschätzung des Oberflächenabflusses nach dem Verfahren<br />
von DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) für das Untersuchungsgebiet in Frage. In dem<br />
Verfahren wird die Direktabflußspende ausschließlich als eine Funktion <strong>der</strong> Reliefenergie<br />
angesehen. Die Reliefenergie im Untersuchungsraum wird teilweise durch<br />
abflußlose Senken bestimmt. Eine hohe Reliefenergie tritt zudem häufig in bewaldeten<br />
Gebieten auf. Die genannten Umstände bewirken eine Unterbrechung <strong>der</strong> oberirdischen<br />
Fließpfade auch bei höherer Reliefenergie.<br />
4.9.2 Auswertung <strong>der</strong> Abflußdaten mit <strong>der</strong> multiplen Regression<br />
Die Abhängigkeiten in dem natürlichen System Abfluß – Landnutzung – Substrattyp<br />
sind komplexer, als das durch eine Größe ein abhängiger Zielwert beschrieben werden<br />
kann. Die multiple lineare Regressionsanalyse erlaubt die statistische Beschreibung<br />
des Einflusses mehrerer Wirkgrößen auf eine abhängige Variable. Dabei wird<br />
eine Zielvariable (Prädiktant) definiert (in diesem Fall <strong>der</strong> Direktabfluß). Den Einflußgrößen<br />
(Landnutzung, Bodentyp) werden in dem Verfahren Faktoren zugeordnet.<br />
Diese Faktoren werden so gewählt, daß die Abweichungen zwischen den berechneten<br />
Prädiktanten und den Daten aus <strong>der</strong> Abflußauswertung möglichst gering sind.
Die multidimensionale lineare Regressionsgleichung lautet:<br />
D<br />
â = A + B1b1 + B2b2 + B3b3 + ... +BDbD = A + Σ Bdbd<br />
(d= 1,…, D)<br />
Dabei ist â <strong>der</strong> Prädiktant, D die Dimensionen und b...bD die Einflußgrößen<br />
(SCHÖNWIESE, 1992). B1 bis BD sind die Regressionskoeffizienten und A eine Konstante.<br />
Bei <strong>der</strong> geringen Probenanzahl (n = 16 Einzugsgebiete) muß die Anzahl <strong>der</strong> Einflußgrößen<br />
gering gehalten werden, da eine Anpassung zwischen berechneten und „gemessenen“<br />
Werten bei einer hohen Anzahl zwangsläufig gut ausfällt.<br />
Als erstes werden zwei multiple Regressionen durchgeführt, um zu bestimmen, ob<br />
die Landnutzung o<strong>der</strong> <strong>der</strong> geologische Aufbau entscheiden<strong>der</strong> für die Höhe des Direktabflusses<br />
ist. In die Berechnungen fließen die Landnutzungen Acker, Wald und<br />
Grünland, sowie die Bodentypen terrestrische Sandböden, terrestrische Lehmböden<br />
und stauwasserbeeinflußte Böden ein. Die Ergebnisse sind in Tabelle 26 dargestellt.<br />
Der Bodentyp beeinflußt den Direktabfluß wesentlich stärker als die Landnutzung.<br />
Die Modellergebnisse mit den Einflußgrößen Landnutzung und dem Prädiktanten<br />
Direktabfluß korrelieren nicht signifikant (R= 0,33). Die Bodentypen können im Modell<br />
die Direktabflußdaten signifikant beschreiben. Der Korrelationskoeffizient zwischen<br />
den berechneten Werten und den Abflußdaten beträgt 0,76. Das Verhältnis zwischen<br />
<strong>der</strong> durch das Modell beschriebenen Variabilität und <strong>der</strong> Restvarariabilität (Residuen)<br />
ist mit einem Wert von 5,35 (F - Wert in Tabelle 26) erheblich höher als im Landnutzungsmodell<br />
(0,47).<br />
Tabelle 26:Modellbeschreibung <strong>der</strong> linearen multiplen Regression. Erläuterungen im Text; tS: terrestrischer<br />
Sandboden, tL: terrestrischer Lehmbode, sB: semiterrestrische Böden<br />
d=1<br />
Modell Landnutzung Modell Bodentyp<br />
Mittel Regressionquadrat 3498 8950<br />
Mittel Residuenquadrat 1652 1674<br />
F-Wert 0,47 5,35<br />
Korrelationskoeffzient 0,33 0,76<br />
Standardfehler des Schätzers 59 40<br />
Bei einer multiplen Regressionsberechnung dürfen nur Parameter eingehen, die<br />
nicht miteinan<strong>der</strong> korrelieren. Aus diesem Grunde ist die Einbeziehung <strong>der</strong> Landnutzungs-<br />
und <strong>der</strong> Bodentypenflächenanteile nicht gestattet (s. Tabelle 27). Je<strong>der</strong> Fläche<br />
mit einer Landnutzungsinformation ist auch eine Bodentypinformation zugeordnet<br />
(außer bei Fehlflächen). Ackerflächen befinden sich häufiger auf lehmigen Sub-<br />
97
98<br />
straten, Wald eher auf Sand (vgl. Tabelle 27). In <strong>der</strong> Natur beeinflußt immer eine<br />
Kombination dieser Flächeninformation das Direktabflußverhalten.<br />
Im nächsten Schritt werden die Einflußgrößen gesucht, die die abhängige Variable<br />
im Modell am besten schätzen. Dafür wurden aus den oben genannten Gründen die<br />
Flächenanteile <strong>der</strong> bedeutendsten Landnutzungsformen differenziert nach ihrem Bodentyp<br />
ermittelt. Die Ergebnisse <strong>der</strong> prozentualen Flächenanteile sind <strong>der</strong> Tabelle 27<br />
zu entnehmen. Die beiden stärksten Klassen sind grau hinterlegt.<br />
Tabelle 27: Prozentualer Flächenanteil (alle Einzugsgebiete)<br />
<strong>der</strong> Landnutzung – Bodentypkombination<br />
tS tL sB<br />
Acker 13 40 4<br />
Grünland 3 7 4<br />
Wald 7 10 2<br />
Bei einer vorwärtsgerichteten multiplen Regression werden jeweils schrittweise Einflußgrößen<br />
mit in die Berechnung aufgenommen. Dies geschieht in <strong>der</strong> Reihenfolge<br />
<strong>der</strong> abnehmenden Bedeutung <strong>der</strong> Einflußgröße auf die Modellanpassung. Die beiden<br />
wichtigsten Einflußgrößen sind die am stärksten vertretenen Landnutzung – Bodentypkombinationen<br />
Acker / Sand und Acker / Lehm.<br />
Ein Modell mit nur zwei Einflußgrößen Acker / Sand und Acker / Lehm erlaubt eine<br />
Abschätzung des Direktabflusses. In Tabelle 28 sind die Ergebnisse aufgeführt, im<br />
Anhang 4.9.2 ist das Modell beschrieben.<br />
Tabelle 28:Zusammenfassung <strong>der</strong> Ergebnisse mit den Einflußgrößen<br />
Acker/Sand und Acker/Lehm<br />
Modell<br />
Mittel Regressionquadrat 15837<br />
Mittel Residuenquadrat 1174<br />
F-Wert 13,5<br />
Korrelationskoeffzient 0,82<br />
Standardfehler des Schätzers 34<br />
In <strong>der</strong> Abbildung 46 sind die ausgewerteten Direktabflußmengen gegen die berechneten<br />
aufgetragen. Die Regressionsgleichung lautet:<br />
Qdirekt = (1,27*%“Acker auf Lehm“) + (-3,35*%“Acker auf Sand“) + 117<br />
Der Direktabfluß des Einzugsgebietes <strong>der</strong> Steinau / Pötrau wird durch das Modell<br />
sehr unzutreffend geschätzt (berechneter Wert unter 50 mm/a). Es ist das einzige<br />
Einzugsgebiet im Untersuchungsraum, in dem die Ackerflächen auf Sand gegenüber<br />
denen auf Lehm im größeren Ausmaß auftreten.
Qdirekt berechnet<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
0 50 100 150 200 250 300<br />
Qdirekt nach WUNDT<br />
Abbildung 46: Direktabflüsse aus dem Modell gegen die aus <strong>der</strong> Abflußauswertung nach dem<br />
MoMNQ-Verfahren. Alle Angaben in [mm/a].<br />
Das Modell unterschätzt tendenziell höhere Direktabflußspenden, während niedrigere<br />
überschätzt werden. Insgesamt ist jedoch eine Abschätzung mit einem Standardfehler<br />
des Schätzers von +/- 34 mm/a, insbeson<strong>der</strong>e hinsichtlich eines in <strong>der</strong> Erhebung<br />
und <strong>der</strong> Auswertung relativ unsicheren Datensatzes wie Abflußdaten, eine gute<br />
Abschätzung.<br />
4.9.3 Umsetzung des Modells zur Abschätzung <strong>der</strong> Direktabflußverteilung<br />
Die Verwendung des Modells zur Regionalisierung des Direktabflusses kann nur eine<br />
Abschätzung ergeben. Aus Abb. 46 ergeben sich Abweichungen zwischen den für<br />
die Einzugsgebiete berechneten und den nach dem MoMNQ-Verfahren ermittelten<br />
Direktabflüsse von bis zu einem Drittel. Die Zahl <strong>der</strong> ausgewerteten Einzugsgebiete<br />
und die Unsicherheit <strong>der</strong> Eingangsdaten lassen statistisch abgesicherte Aussagen<br />
nicht zu. Mit dem Modell wird die räumliche Verteilung des Direktabflusses im Untersuchungsgebiet<br />
geschätzt. Hierbei müssen folgende Randbedingungen erfüllt sein:<br />
1. Die Flächengröße <strong>der</strong> zu berechnenden Einheiten darf nicht um Größenordnungen<br />
von denen <strong>der</strong> Einzugsgebiete abweichen.<br />
2. In den zu berechnenden Flächen muß die Kombination „Acker auf Lehmboden“<br />
gegenüber <strong>der</strong> „Acker auf Sandboden“ überwiegen.<br />
3. Berechnungsergebnisse außerhalb des durch die Modelleingangsdaten abgesicherten<br />
Wertebereiches (Minimum = 50 mm/a, Maximum = 210 mm/a) sind nicht<br />
gültig.<br />
Aufgrund <strong>der</strong> ersten Randbedingung wird für die Berechnung ein Raster mit einer<br />
räumliche Diskretisierung von 5*5 km 2 gewählt, dies entpricht in Lage und Größe<br />
dem Nie<strong>der</strong>schlagsraster. Eine höhere räumliche Auflösung ist nicht vertretbar. Für<br />
99
100<br />
jede Zelle wird <strong>der</strong> Prozentualanteil <strong>der</strong> Ackerflächen auf Lehm und auf Sand ermittelt.<br />
Bei Rasterzellen, die die zweite Randbedingung nicht erfüllen, wird <strong>der</strong> Sandanteil<br />
dem Lehmanteil gleichgesetzt. Diese Korrektur führt im Untersuchungsgebiet zu<br />
plausiblen Werten. Sie ist aufgrund <strong>der</strong> willkürlichen Festlegung jedoch zu hinterfragen.<br />
Für jede Zelle wird die Direktabflußhöhe nach <strong>der</strong> oben genannten Regressionsgleichung<br />
berechnet. Abschätzungsergebnisse, die außerhalb des Wertebereiches<br />
liegen (vgl. Randbedingung 3) erhalten den Minimal bzw. Maximalwert.<br />
Das Ergebnis <strong>der</strong> Schätzung <strong>der</strong> Direktabflußhöhe sind in Abbildung dargestellt. Der<br />
nördliche Bereich tritt mit hohen Direktabflußspenden deutlich hervor. Im zentralen<br />
und südöstlichen Teil des Untersuchungsraumes sind sie dagegen geringer. Dies<br />
entspricht dem Bild, das die Auswertung <strong>der</strong> Abflußdaten ergibt. Auffällig ist eine Rasterzelle<br />
im südlichen zentralen Bereich mit einer nicht plausiblen hohen berechneten<br />
Direktabflußspende. In dieser Zelle ist <strong>der</strong> Waldanteil sehr hoch und die vorhandenen<br />
Ackerflächen bestehen vollständig aus lehmigen Substrat. Die Verteilung <strong>der</strong><br />
Hydrotope Acker / Lehm und Acker / Sand ist dadurch nicht mehr bestimmend für die<br />
Direktabflußbildung. Dies zeigt, daß bei einer hohen Abweichung zwischen Hydrotopzusammensetzung<br />
<strong>der</strong> Rasterzelle und Hydrotopzusammensetzung <strong>der</strong> in das<br />
Modell eingegangenen Einzugsgebiete die Berechnung problematisch ist.<br />
Qdi rekt n ach m ultip ler<br />
Regression [mm /a ]<br />
0-50<br />
50 50 - 11 00<br />
100 -- 150<br />
150 -- 200<br />
200 -- 500<br />
Abbildung 47: Karte <strong>der</strong> mit Hilfe <strong>der</strong> multiplen Regression abgeschätzten Direktabflußhöhen.<br />
Einzugsgebiete <strong>der</strong> ausgewerteten gewässerkundlichen Pegelanlagen eingezeichnet.<br />
Km<br />
N
101<br />
Um die Rasterzellen bezogene Abschätzung <strong>der</strong> Höhe des Direktabflusses zu überprüfen,<br />
werden die Einzugsgebiete aus den Rasterzellenberechnungen „herausgestanzt“<br />
und das Gebietsmittel berechnet. Abbildung 48 zeigt die so gewonnenen Gebietsmittel<br />
gegen die <strong>der</strong> Abflußdatenauswertung.<br />
Qdirekt berechnet<br />
210<br />
190<br />
170<br />
150<br />
130<br />
110<br />
90<br />
70<br />
50<br />
0 50 100 150 200 250<br />
Qdirekt nach WUNDT<br />
Abbildung 48: Direktabflußspenden nach <strong>der</strong> Abflußdatenauswertung und nach dem<br />
<strong>der</strong> Einzugsgebietsmittel aus <strong>der</strong> Rasterzellenberechnung mittels multipler<br />
Regression. Alle Angaben in mm/a.<br />
Der Pearson Korrelationskoeffizient beträgt 0,83 und zeigt somit eine mittlere Signifikanz.<br />
Die Steigung <strong>der</strong> Regressionsgeraden ist mit 0,5 zu gering und zeigt wie<strong>der</strong>um<br />
die Tendenz des Modells niedrige Werte zu über- und hohe Werte zu unterschätzen.<br />
Die geringe Anzahl von Einzugsgebieten im Untersuchungsraum läßt einen Ausschluß<br />
von extremen Werten bei <strong>der</strong> Erstellung des Modells zur besseren Anpassung<br />
<strong>der</strong> überwiegenden Anzahl <strong>der</strong> Einzugsgebiete nicht zu.
102
5 Umsetzung <strong>der</strong> Berechnungsverfahren in einem Geoinformationssystem<br />
(GIS)<br />
103<br />
Bei <strong>der</strong> Betrachtung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> Grundwasserneubildung spielt <strong>der</strong><br />
räumliche Bezug <strong>der</strong> vielfältigen Eingangsdatenebenen eine erhebliche Rolle. Die<br />
Erfassung und Auswertung kann ohne den Einsatz von elektronischen Hilfsmitteln<br />
sowie neuen Methoden nicht mehr bewältigt werden. Computersysteme, die diesen<br />
Raumbezug erstellen können, werden unter dem Begriff Geoinformationssystem zusammengefaßt<br />
(BILL & FRITSCH, 1994; GÖPFERT 1991).<br />
Der Einsatz eines Geoinformationssystems erlaubt die:<br />
- Datenerfassung: durch direkte Eingabe am Rechner, Einlesen von Daten, Digitalisieren,<br />
Scannen<br />
- Datenverwaltung: Speicherung und Organisation <strong>der</strong> Daten unter Berücksichtigung<br />
ihres Raumbezugs<br />
- Analyse: geometrische, logische und relationale Verknüpfung mehrerer Datenebenen<br />
(Transformationen, Verschneidungen, Simulationen)<br />
- Präsentation: Visualisierung <strong>der</strong> Daten und Ergebnisse, Erzeugen von Karten und<br />
Druckvorlagen (vgl. Abbildung 49)<br />
Erfassung Analyse Präsentation<br />
Datenverwaltung<br />
Abbildung 49: Prinzip eines Geoinformationssystems<br />
Im Rahmen dieser Arbeit wird das GIS Arc/Info verwendet. Ausführliche Erläuterungen<br />
<strong>der</strong> Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile finden sich z.B. in ESRI (1997). Für<br />
die Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> sind Daten<br />
aus verschiedenen Bereichen digital bereitzustellen o<strong>der</strong> zu bearbeiten. Tabelle 29<br />
stellt die, für die ausgewählten Verfahren benötigten, räumlichen bzw. räumlichzeitlichen<br />
Variablen (Klima, Boden, Landnutzung, Hydrologie) zusammen.
104<br />
Tabelle 29: Eingangsparameter <strong>der</strong> gewählten Verfahren; + = berücksichtigt, u = unkorrigierter<br />
Nie<strong>der</strong>schlag, k = korrigierter Nie<strong>der</strong>schlag, T = Turc/Ivanov; H = Haude, nFK = nutzbare<br />
Feldkapazität<br />
Klima Boden und Pflanze Hydrologie<br />
Verfahren<br />
Nie<strong>der</strong>schlag<br />
potentielle Evapotranspiration<br />
PROKSCH (1990) u ✙ ✙ ✙ ✙<br />
RENGER & WESSOLEK (1990) u H ✙ ✙ (✙) ✙<br />
BAGROV & GLUGLA (1975)<br />
ohne Oberflächenabfluß k T ✙ ✙ (✙) ✙<br />
VEKOS (KLÄMT, 1988) k ✙ ✙ (✙) (✙)<br />
nFK<br />
BAGROV & GLUGLA (1975)<br />
mit Oberflächenabfluß k T ✙ ✙ (✙) ✙ ✙ ✙<br />
JOSOPAIT & LILLICH (1975) u ✙ ✙ ✙ ✙ ✙ ✙<br />
DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) u ✙ ✙ ✙ ✙ ✙ ✙<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1990) u ✙ ✙ (✙) ✙ ✙ ✙<br />
Eingeklammerte Kreuze in <strong>der</strong> Tabelle 29 bedeuten, daß das ursprüngliche Verfahren<br />
diesen Eingangsparameter nicht berücksichtigt. Dies betrifft insbeson<strong>der</strong>e teilversiegelte<br />
Flächen, die im Rahmen dieser Arbeit nach dem Ansatz von PROKSCH<br />
(1990) eingehen. Hierbei wird die Sickerwassermenge für die Landnutzung Weide<br />
ermittelt und mit einem vom Versiegelungsgrad abhängigen Faktor multipliziert. Dieser<br />
ist in drei Stufen differenziert. Ein hoher Versiegelungsgrad erhält den Faktor 0,2;<br />
mittlere und niedrige die Faktoren 0,6 und 0,8. Die Bestimmung des Versiegelungsgrades<br />
ist in Kapitel 4.4.1 beschrieben.<br />
Im folgenden wird für alle angewendeten Verfahren ihre Umsetzung in Arc/Info beschrieben.<br />
Sich für alle Verfahren wie<strong>der</strong>holende Schritte, wie die Verschneidung <strong>der</strong><br />
verschiedenen Datenebenen, das Selektieren von Flächen, die Zuweisung von<br />
Werten, Ausweisung von Flächen ohne Daten o<strong>der</strong> einzelne Berechnungsvorgänge,<br />
werden exemplarisch anhand des ersten Verfahrens erläutert. Für alle Verfahren gilt,<br />
daß die klimatischen Parameter in regionalisierter Form eingehen. Sämtliche Berechnungen<br />
wurden einzeln für jedes Kartenblatt vorgenommen, da die Größe <strong>der</strong><br />
Dateien eine Gesamtbearbeitung des Untersuchungsgebietes nicht ermöglichten.<br />
Am Ende je<strong>der</strong> Verfahrensbeschreibung sind in einem Fließdiagramm die wichtigsten<br />
Eingangsdaten und Verfahrensschritte schematisch zusammengefaßt. Die verwen-<br />
Bodengruppen, Bodenart<br />
Landnutzung<br />
Versiegelung<br />
Relief, Reliefenergie<br />
Grundwasserflurabstand<br />
Oberflächenabfluß
deten Abkürzungen werden im folgenden o<strong>der</strong> innerhalb des jeweiligen Textes erläutert:<br />
ATKIS = amtlich topographisch kartographisches Informationssystem<br />
nFK = nutzbare Feldkapazität<br />
Qd = Oberflächenabfluß<br />
N_korr = korrigierter Jahresnie<strong>der</strong>schlag<br />
N_unkorr = unkorrigierter Jahresnie<strong>der</strong>schlag<br />
Etpot = potentielle Evaporation nach Turc/Ivanov<br />
ETreal = reale Evapotranspiration<br />
ETHaude = potentielle Evapotranspirationshöhe nach Haude<br />
Gwn = Grundwasserneubildung<br />
DHM = Digitales Höhenmodell<br />
5.1 VEKOS (KLÄMMT, 1988)<br />
105<br />
In die Berechnungen gehen die Klimadaten (korrigierte Nie<strong>der</strong>schlagshöhen, die<br />
realen und potentiellen Evapotranspirationshöhen), die aus <strong>der</strong> Geologie abgeleitete<br />
nutzbare Feldkapazität, Flurabstand sowie die aus <strong>der</strong> Auswertung von ATKIS-Daten<br />
gewonnene Landnutzung ein. Diese eingehenden Datenbanken können entwe<strong>der</strong> für<br />
die jeweilige Fläche nur einen Wert besitzen o<strong>der</strong> aber, wie im Falle <strong>der</strong> realen<br />
Evapotranspiration, mehrere. Die Datenbank <strong>der</strong> realen Evapotranspiration besitzt<br />
sämtliche Evapotranspirationshöhen, die in Abhängigkeit von <strong>der</strong> räumlichen Lage,<br />
<strong>der</strong> Bodenart, dem Flurabstand und dem Bewuchs auftreten können. Im ersten<br />
Schritt werden alle Eingangsdaten miteinan<strong>der</strong> in Arc/Info verschnitten. Nach diesem<br />
Schritt verfügt jede Fläche über alle obengenannten Informationen. Im nächsten<br />
Schritt muß für die jeweilige Fläche <strong>der</strong> zuzuordnende Wert <strong>der</strong> realen Evapotranspirationshöhe<br />
ermittelt werden. Hierzu werden sämtliche Flächen, die z.B. die Landnutzung<br />
Acker und eine nutzbare Feldkapazität von 8 mm/dm besitzen, selektiert und<br />
ihnen <strong>der</strong> entsprechende Wert zugeordnet. In diesem Sinne verfährt man für alle an<strong>der</strong>en<br />
Kombinationen von nFK-Werten und Landnutzungen inklusive versiegelter<br />
Flächen weiter. Standorte mit dem Bewuchs Acker o<strong>der</strong> Nadelwald in Kombination<br />
mit nutzbaren Feldkapazitäten von > 30 mm/dm bleiben bei <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong><br />
realen Evapotranspiration mit dem Programm VEKOS unberücksichtigt. Für diese Flächen<br />
werden die Evapotranspirationswerte von Grünland bzw. Laubwald für die jeweilige<br />
nutzbare Feldkapazität eingesetzt und Aufschläge von 20 mm/a (Acker) bzw.<br />
30 mm/a (Nadelwald) vergeben. Als nächstes werden alle Flächen selektiert, die einen<br />
Flurabstand < 8 dm o<strong>der</strong> den Bestand Moor besitzen und ihnen als<br />
Evapotranspirationswert die potentielle Evapotranspiration nach Turc/Ivanov zugeordnet.<br />
Sämtliche Flächen, die jetzt keine konkreten Evapotranspirationswerte<br />
besitzen, sind entwe<strong>der</strong> Gewässer o<strong>der</strong> aber Flächen, die in den ATKIS-Daten o<strong>der</strong><br />
aufgrund des Verfahrens nicht klassifizierbar sind. Diese Bereiche werden in <strong>der</strong><br />
Datenbank als fehlen<strong>der</strong> Wert (no data = -9999) gekennzeichnet. Anschließend folgt
106<br />
<strong>der</strong> Berechnungsgang <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>. Dazu wird für jede einzelne<br />
Fläche des gesamten Kartenblattes von <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe die reale<br />
Evapotranspirationshöhe abgezogen, wobei Oberflächenabflüsse unbeachtet bleiben.<br />
Abschließend wird für versiegelte Flächen die errechnete <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
um den jeweiligen Versiegelungsfaktor reduziert (vgl. Abbildung 50).<br />
Geologie<br />
Bodenkunde<br />
ATKIS<br />
Berechnung <strong>der</strong> Grundwaserneubildung mit VEKOS-Daten<br />
Flurabstand<br />
< 8 dm<br />
nFK ETreal<br />
Landnutzung<br />
Grünland, Acker<br />
Nadel-,Laub-,<br />
Mischwald, Moor,<br />
Versiegelung<br />
Abbildung 50: Schematische Darstellung des Verfahrenganges mit Datensätzen aus VEKOS<br />
5.2 Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990)<br />
N_korr<br />
Die Eingangsdaten dieses Verfahrens sind in Kapitel 2.2.2 und in <strong>der</strong> Abbildung 51<br />
aufgeführt. Bevor die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> berechnet werden kann, ist eine<br />
weitere Größe, die pflanzenverfügbare Wassermenge (Wpfl), zu ermitteln. Zur Ableitung<br />
<strong>der</strong> pflanzenverfügbaren Wassermenge muß zum einen die nutzbare Feldkapazität<br />
(nFK) des effektiven Wurzelraums (We), zum an<strong>der</strong>en die kapillare Anstiegsrate<br />
(Krv) bekannt sein. Die Tiefe des effektiven Wurzelraumes wird bei grundwasserfernen<br />
Standorten von Bodenart und Nutzungsform bestimmt (vgl. Tabelle 30).<br />
Bei grundwassernahen Standorten wird davon ausgegangen, daß für die meisten<br />
Vegetationsarten <strong>der</strong> Flurabstand (∆Flur) die unterste Grenze <strong>der</strong> Durchwurzelungstiefe<br />
ist (LEHNARDT & BRECHTEL, 1980).<br />
Gwn<br />
Versiegelungsfaktor
107<br />
Tabelle 30: Mittlere effektive Durchwurzelungstiefe in Abhängigkeit von Bodenart und Nutzungsform;<br />
aus Bodenkundliche Kartieranleitung (1996) und DVWK (1996)<br />
Bodenart<br />
Mittelsand (mS) 6 5<br />
Feinsand (fS) 7 5-6<br />
lehmiger Sand (Sl) 8 6<br />
sandiger Lehm (Ls)<br />
schluffiger Sand (Su)<br />
sandiger Schluff (Us)<br />
Schluff (U)<br />
sandiger Ton (Ts)<br />
lehmiger Ton (Tl)<br />
Ton (T)<br />
lehmiger Schluff (Ul)<br />
schluffiger Lehm (Lu)<br />
toniger Lehm (Lt)<br />
Mittlere effektive Durchwurzelungstiefe [dm]<br />
Acker Grünland Wald<br />
(15 - 45 Jahre)<br />
Nie<strong>der</strong>moor Hochmoor<br />
9 7<br />
10 8<br />
11 8-9<br />
10-20 2 4<br />
Die Höhe <strong>der</strong> kapillaren Aufstiegsrate ist abhängig vom Substrat und dem Abstand<br />
zwischen dem Gundwasserspiegel und <strong>der</strong> Untergrenze des effektiven Wurzelraumes<br />
und wird aus Tabellen abgeleitet (AGBODEN, 1996). Sie ist je nach Landnutzung<br />
mit <strong>der</strong> Anzahl an Tagen (xd) zu multiplizieren, an denen sie auftritt (vgl. Kapitel<br />
2.2.3).<br />
Die pflanzenverfügbare Wassermenge wird dann für grundwasserferne Standorte<br />
nach folgen<strong>der</strong> Gleichung berechnet:<br />
Wpfl = nFK * We bzw. bei Grundwassereinfluß durch: Wpfl = ∆Flur *nFK+ (Krv * xd)<br />
Anschließend wird die reale Evaporation anhand <strong>der</strong> folgenden Formel berechnet:<br />
Eta = a * NSo + b * NWi + c * log W pfl + d *ETp + e<br />
Für die Konstanten a bis e wurden von RENGER & WESSOLEK (1996) für norddeutsche<br />
Verhältnisse die in <strong>der</strong> Tabelle 31 angegebenen Werte bestimmt.<br />
Tabelle 31: Konstanten nach RENGER & WESSOLEK (1996)<br />
Bodennutzung a b c d e<br />
Acker 0,39 0,08 153 0,12 -109<br />
Grünland 0,48 0,10 286 0,10 -330<br />
Nadelwald 0,33 0,29 166 0,19 -127<br />
Die im Verfahren nicht berücksichtigten Bestandsarten Laub- und Mischwald werden<br />
in diesem Berechnungsschritt wie Nadelwald behandelt. Da die Evapotranspirations-
108<br />
höhe eines Nadelwaldbestands höher ist als die eines Laub- bzw. Mischwaldes, wird<br />
<strong>der</strong> errechnete Evapotranspirationsbetrag anschließend um 30 mm/a (Laubwald)<br />
bzw. 15 mm/a (Mischwald) erniedrigt (mündl. Rücksprache mit Herrn Wessolek<br />
1999). Die anhand <strong>der</strong> ATKIS-Daten ausgewiesenen Moorflächen erhalten potentielle<br />
Evapotranspirationshöhen nach HAUDE (1954). Die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
ergibt sich dann aus <strong>der</strong> Differenz aus Nie<strong>der</strong>schlag und Verdunstung unter Berücksichtigung<br />
<strong>der</strong> versiegelten Flächen und Vernachlässigung von Oberflächenabfluß.<br />
Der Verfahrensgang ist schematisch in Abbildung 51 zusammengefaßt.<br />
nFKWe<br />
Geologie<br />
Bodenkunde<br />
Bodenart<br />
Flurabstand<br />
+<br />
Landnutzung<br />
Grünland, Acker<br />
Nadelwald,<br />
Versiegelung<br />
ATKIS<br />
Verfahren nach Renger & Wessolek<br />
N_unkorr_s<br />
N_unkorr_w<br />
KRv Wpfl<br />
ETHaude<br />
Abbildung 51: Schematische Darstellung des Verfahrenganges für das Verfahren nach RENGER &<br />
WESSOLEK (1990)<br />
5.3 Verfahren nach BAGROV/GLUGLA (1975)<br />
ETreal<br />
Neben den üblichen Eingangsdaten benötigt das Verfahren, wenn es in nicht ebenen<br />
Gebieten eingesetzt wird, die auf ihr Einzugsgebiet bezogenen Direktabflüsse (vgl<br />
Abbildung 53). Diese werden als integraler Wert für das Einzugsgebiet von den korrigierten<br />
Nie<strong>der</strong>schlagshöhen subtrahiert, um die Höhe des effektiven Nie<strong>der</strong>schlages<br />
zu erhalten. Das Verfahren wird auch für ebenes Gelände berechnet, in diesem Falle<br />
entfallen die vorherigen Arbeitsschritte. Aus einem Nomogramm wird für die verschiedenen<br />
Landnutzungen in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität <strong>der</strong> Effektivitätsparameter<br />
„n“ abgeleitet (vgl. Tabelle 32).<br />
*a<br />
*b<br />
*c<br />
*d+e<br />
*Versiegelungsfaktor<br />
Gwn<br />
N_unkorr
Tabelle 32: Abgeleitete Werte für den Effektivitätsparameter „n“ in Abhängigkeit<br />
vom Bewuchs und <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität (nFK)<br />
nFK<br />
Effektivitätsparameter „n“<br />
Vegetationslos Acker-/Grünland Wald<br />
8 0.30 1.00 3.00<br />
14 0.40 1.50 4.00<br />
15 0.50 1.60 4.00<br />
17 0.60 2.00 5.00<br />
18 0.70 2.00 5.00<br />
22 1.00 3.00 8.00<br />
109<br />
Bei grundwasserbeeinflußten Bereichen wird die kapillare Aufstiegsrate bestimmt<br />
(s.o.). Liegt sie unter 1,5 mm/d, so wird <strong>der</strong> Effektivitäsparameter „n“ um 20 % bzw.<br />
um 50 % bei Werten über 1,5 mm/d erhöht. Moorböden erhalten ohne weitere Berechnungsschritte<br />
potentielle Evapotranspirationshöhen nach Turc/Ivanov. Im nächsten<br />
Schritt wird <strong>der</strong> Quotient aus Nie<strong>der</strong>schlag bzw. effektivem Nie<strong>der</strong>schlag und<br />
<strong>der</strong> potentiellen Evapotranspiration nach TURC/IVANOV gebildet. Dieser in Kombination<br />
mit dem Effektivitätsparameter „n“ dient <strong>der</strong> <strong>Ermittlung</strong> von „y“, wobei „y“ das Verhältnis<br />
von realer Evapotranspiration zu potentieller Evapotranspiration beschreibt.<br />
Abbildung 52: Diagramm zur Bestimmung von „y“ in Abhängigkeit von „x“ und ivitätsparameter Effekt<br />
„n“ aus GLUGLA & K Ö N I G (1989); mit x = Nie<strong>der</strong>schlag / potentielle Evapotranspiration und „y“ = reale Evapotranspiration / potentielle Evapotranspirat i o n
110<br />
Bei dem Verfahren nach BAGROV/GLUGLA (1975) wird „y“ anhand eines Diagramms<br />
abgeleitet. Da die in Kapitel 2.2.3 erwähnten Rechenprogramme RASTER und<br />
ABIMO nicht zur Verfügung standen, werden die von den Autoren bestimmten Kurven<br />
abgetragen und mittels polynomialer Kurvenanpassung beschrieben (vgl. Abbildung 5 2). Die<br />
ermittelten Funktionen sind im Anhang 5.3.1 zusammengefaßt. Durch diesen Arbeitsschritt<br />
wird die Berechnung in Arc/Info zu ermöglicht.<br />
Die reale Evaporation erhält man durch die Multiplikation von „y“ mit <strong>der</strong> potentiellen<br />
Evapotranspiration. Unter Beachtung <strong>der</strong> Versiegelung ist dann die Differenz aus<br />
Nie<strong>der</strong>schlag und realer Evapotranspiration die Grundwasserneubildung. Die einzelnen<br />
Arbeitsschritte sowie die in das Verfahren eingehenden Größen sind schematisch<br />
in Abbildung 53 aufgeführt.<br />
Gewässerkundl.<br />
Flächenverzeichnis<br />
Einzugsgebiete<br />
Verfahren nach Bagrov/Glugla<br />
Abbildung 53: Schematische Darstellung des Verfahrenganges für das Verfahren nach<br />
BAGROV/GLUGLA (1975)<br />
5.4 Verfahren nach PROKSCH (1990)<br />
Qd<br />
Abflußdaten<br />
N_korr N_eff<br />
Flurabstand<br />
ETpot<br />
In das Verfahren gehen unkorrigierte Nie<strong>der</strong>schlagshöhen, Landnutzung, Bodentyp<br />
und die Seeverdunstung nach Richter ein. Im ersten Schritt werden Flächen mit geringem<br />
Flurabstand ausgeson<strong>der</strong>t. Bei Acker- und Grünlandnutzung wird bis zu einem<br />
Flurabstand von < 8 dm, bei Waldgebieten bis zu einem Flurabstand von<br />
< 15 dm die Seeverdunstung des jeweiligen Gebietes den Flächen zugewiesen. Die<br />
in den ATKIS-Daten als Moor gekennzeichneten Flächen erhalten ebenfalls diese<br />
Krv<br />
Gleichungssytem<br />
ETreal<br />
Geologie<br />
Bodenkunde<br />
Gwn<br />
Substrat<br />
nFK<br />
n<br />
N_eff<br />
ATKIS<br />
Landnutzung<br />
Acker/Grünland,Wald, Moor,<br />
unbewachsen,versiegelt<br />
We<br />
Bestandsart
111<br />
Werte. Die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> dieser Flächen ergibt sich aus <strong>der</strong> Subtraktion<br />
<strong>der</strong> Seeverdunstung von <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe. Im nächsten Schritt wird mittels<br />
<strong>der</strong> in Tabelle 33 angegebenen Lysimetergleichungen die Sickerwassermenge in<br />
Abhängigkeit von Bodentyp und Landnutzung bestimmt.<br />
Tabelle 33: Lysimetergleichungen nach PROKSCH (1990); N = mittlere<br />
unkorrigierte Jahresnie<strong>der</strong>schlagshöhe, Sw = Sickerwasser<br />
Bodenart Vegetation Lysimetergleichung<br />
Sand unbewachsen Sw = - 59,20 + 0,852 N<br />
Dünenvegetation Sw = - 167,96 + 0,840 N<br />
Acker Sw = - 160,73 + 0,717 N<br />
Gras Sw = - 299,02 + 0,918 N<br />
Laubwald Sw = - 199,27 + 0,662 N<br />
Nadelwald Sw = - 289,66 + 0,578 N<br />
lehm. Sand unbewachsen Sw = - 125,36 + 0,732 N<br />
Acker Sw = - 305,23 + 0,819 N<br />
Gras Sw = - 250,16 + 0,688 N<br />
Lößlehm Unbewachsen Sw = - 204,81 + 0,687 N<br />
Acker Sw = - 414,86 + 1,018 N<br />
Gras Sw = - 391,51 + 0,960 N<br />
Lehm Acker Sw = - 244,82 + 0,624 N<br />
Gras Sw = - 341,37 + 0,933 N<br />
Für Mischwald wird die Sickerwassermenge durch das Mittel zwischen Laub- und<br />
Nadelwald bestimmt. Aufgrund <strong>der</strong> fehlenden Lysimetergleichungen für Nadel- und<br />
Laubwald auf lehmigen Substraten wird für diesen Bodentyp von <strong>der</strong> errechneten<br />
Sickerwassermenge pauschal 60 mm/a abgezogen. Unter Vernachlässigung <strong>der</strong><br />
Oberflächenabflüsse entspricht die Sickerwassermenge <strong>der</strong> Grundwasserneubildung<br />
unter Berücksichtigung <strong>der</strong> Versiegelung. Abbildung 54 zeigt den Verfahrensgang.<br />
Geologie<br />
Bodenkunde<br />
ATKIS<br />
Verfahren nach Proksch<br />
Flurabstand<br />
< 8 dm<br />
< 15 dm (Wald)<br />
Substrat<br />
Sand, Lehm,<br />
schluffger Lehm<br />
lehmiger Sand<br />
Landnutzung<br />
Acker/Grünland,Wald,<br />
Moor, unbewachsen,<br />
versiegelt<br />
Seeverdunstung<br />
N_unkorr<br />
Lysimetergleichung<br />
Abbildung 54: Schematische Darstellung des Verfahrenganges für das Verfahren<br />
nach PROKSCH (1990)<br />
Gwn<br />
*Versiegelungs
112<br />
5.5 Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975)<br />
Die in das Verfahren eingehenden Größen sind in Abbildung 55 aufgeführt. Im ersten<br />
Verfahrensschritt wird <strong>der</strong> Wasserüberschuß flächendifferenziert erfaßt. Als erstes<br />
werden grundwassernahe Bereiche ausgegrenzt. Dieses sind Gebiete mit Flurabständen<br />
< 8 dm. Sie erhalten als Wasserüberschuß entwe<strong>der</strong> 150 mm/a<br />
(∆Flur < 3 dm) bzw. 175 mm/a (∆Flur > 3 dm < 8 dm). Die nach den ATKIS-Daten<br />
ausgewiesenen Moorgebiete erhalten ebenfalls den Wert 175 mm/a. Bei Flurabständen<br />
> 8 dm < 15 dm wird zuerst die Sickerwassermenge bestimmt und dann um<br />
50 mm/a reduziert. Liegt keine Grundwasserbeeinflussung vor, entspricht <strong>der</strong> Wasserüberschuß<br />
<strong>der</strong> Sickerwassermenge, die nach den in <strong>der</strong> Tabelle 34 angegebenen<br />
Gleichungen und Berücksichtigung von Bewuchs und Substrattyp berechnet wird.<br />
Bei dem Substrattyp Sandlöß werden im ursprünglichen Verfahren Waldstandorte<br />
bzw. Böden ohne Bewuchs nicht berücksichtigt. Diese werden wie <strong>der</strong> Substrattyp<br />
Sand behandelt und bekommen Abschläge.<br />
Tabelle 34: Lysimetergleichungen nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) N = mittlere unkorrigierte Jahresnie<strong>der</strong>schlagshöhe,<br />
Sw = Sickerwasser; für den Substrattyp Sandlöß wurden für den Bewuchs<br />
Wald bzw. unbewachsen Abschläge verteilt<br />
Substrattyp Bewuchs Lysimetergleichung<br />
Sand Unbewachsen Sw = 1,1 N – 306<br />
Acker- / Grünland Sw = 1,1 N – 433<br />
Wald Sw = 1,1 N – 474<br />
Geschiebelehm Unbewachsen Sw = 1,1 N – 405<br />
Acker- / Grünland Sw = 1,1 N – 558<br />
Wald Sw = 1,1 N – 578<br />
Sandlöß Unbewachsen Sw = 1,1 N – 306 – 44<br />
Acker- / Grünland Sw = 1,1 N – 497<br />
Wald Sw = 1,1 N – 474 – 60<br />
Als nächstes folgt die Abgrenzung von Gebieten mit unterschiedlich hohem Direktabfluß.<br />
Den höchsten Direktabfluß von 200 mm/a erhalten Gebiete mit geringem<br />
Flurabstand ( < 3 dm). Gebiete mit Flurabständen von 3-8 dm erhalten bei sandigem<br />
Substrat Direktabflußhöhen von 150 mm/a bzw. 175 mm/a bei lehmigen Substraten.<br />
Angrenzende Talgebiete , Talhänge, Ortschaften und Böden mit geringer Infiltatrationskapazität<br />
(Tone, Lehme und schluffige Lehme) erhalten den Wert 100 mm/a. Die<br />
angrenzenden Talgebiete werden mittels Arc/Info ausgewiesen. Hierzu wird um das,<br />
aus den ATKIS-Daten abgeleitete, Gewässernetz (vgl. Kapitel 4.5) eine Zone (buffer)<br />
von 250 m zu je<strong>der</strong> Vorfluterseite gelegt. Alle noch nicht klassifizierten Flächen erhalten,<br />
wenn sie innerhalb dieser Zone liegen, den Wert 100 mm/a. Talhänge sind<br />
Bereiche, die Hangneigungen von > 3 % besitzen (vgl. Kapitel 4.6). Gebiete ohne<br />
Direktabfluß sind dadurch gekennzeichnet, daß sie außerhalb <strong>der</strong> Bufferzone liegen,<br />
sandiges Substrat vorweisen und eine Hangneigung < 2 % besitzen. Alle Flächen,<br />
die jetzt noch keinen Wert für den Direktabfluß besitzen, werden als Gebiete mit ge-
113<br />
legentlichem Abfluß (30 mm/a) gekennzeichnet. Die Berechnung <strong>der</strong> Grundwasserneubildung<br />
ergibt sich aus <strong>der</strong> Differenz zwischen Nie<strong>der</strong>schlag und Wasserüberschuß.<br />
In diesem Verfahren wird die errechnete <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nicht<br />
um den jeweiligen Versiegelungsfaktor erniedrigt, da Ortschaften durch erhöhte Abflußwerte<br />
beachtet wurden.<br />
Geologie<br />
Bodenkunde<br />
ATKIS<br />
Verfahren nach Proksch<br />
Flurabstand<br />
< 8 dm<br />
< 15 dm (Wald)<br />
Substrat<br />
Sand, Lehm,<br />
schluffger Lehm<br />
lehmiger Sand<br />
Landnutzung<br />
Acker/Grünland,Wald,<br />
Moor, unbewachsen,<br />
versiegelt<br />
Abbildung 55: Schematische Darstellung des Verfahrenganges für das Verfahren nach<br />
JOSOPAIT & LILLICH (1975)<br />
5.6 Verfahren nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
Seeverdunstung<br />
N_unkorr<br />
Lysimetergleichung<br />
Im ersten Schritt wird die reale Verdunstungshöhe entsprechend <strong>der</strong> ermittelten Bodenart<br />
für die Landnutzung Acker/Grünland und Wald sowie für grundwasserbeeinflußte<br />
Böden erhoben. DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) leiten diese aus einem Diagramm<br />
mit 12 Evapotranspirationsklassen ab. Während DÖRHÖFER & JOSOPAIT<br />
(1980) in diesem Diagramm die 12 Klassen in Stufen von 25 mm/a unterglie<strong>der</strong>n,<br />
wird zur Umsetzung im GIS das Klassenmittel verwandt. Grundwasserbeeinflußte<br />
Böden erhalten nach Tabelle 35 in Abhängigkeit vom Flurabstand die höchsten Verdunstungshöhen.<br />
Gwn<br />
*Versiegelungs
114<br />
Tabelle 35: Nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) abgeleitete reale Evapotranspirationswerte<br />
in Abhängigkeit vom Substrat, Landnutzung und Flurabstand<br />
reale Verdunstungshöhe [mm/a]<br />
Substrat / Flurabstand [dm] Acker/Grünland Wald<br />
Sand 363 463<br />
lehmiger Sand 413 488<br />
lehmiger Schluff 463 513<br />
Schluff, sandiger Lehm 488 538<br />
Lehm 538 588<br />
Ton 563 588<br />
> 7.5 8 < 15 dm) die A/Au-Stufe 4 (Sand)<br />
bzw. 5 (Lehm) gewählt wird.
Tabelle 36: Zuordnung <strong>der</strong> Reliefenergie in die jeweilige A/Au-Stufen und Beschreibung<br />
<strong>der</strong> A/Au-Geraden nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
Reliefenergie<br />
(m/km 2 )<br />
A/Au-Stufe ermittelter Steigungswinkel<br />
<strong>der</strong> A/Au-Geraden (α)<br />
tan α<br />
160 6 22.0° 0.40<br />
115<br />
Der von den Autoren vorgeschlagene graphische Lösungsansatz zur <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (vgl. Abbildung 56) ist für eine GIS-Anwendung ungeeignet. Um die<br />
Berechnung in einem GIS zu ermöglichen, muß <strong>der</strong> Lösungsansatz mathematisch<br />
beschrieben werden. Hierbei macht man sich eine trigonometrische Winkelfunktion<br />
(vgl. Abbildung 57) zunutze.<br />
Abbildung 57: Rechtwinkliges Dreieck und seine Bezeichnungen<br />
Nach den Abbildung 5 6 und 57 bildet die Differenz zwischen dem Nie<strong>der</strong>schlag und <strong>der</strong><br />
Evapotranspirationshöhe (Wasserüberschuß) die Ankathete. Die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
entspricht <strong>der</strong> Gegenkathete. Die Steigung <strong>der</strong> A/Au-Geraden ist für<br />
jede A/Au-Stufe definiert (vgl. Tabelle 36). Somit kann die Höhe <strong>der</strong> Grundwasserneubildung<br />
über die Dreiecksfunktion berechnet werden:<br />
Gegenkathete<br />
tan α =<br />
bzw. Gegenkathe te = Ankathete⋅<br />
tanα<br />
Ankathete<br />
o<strong>der</strong>:<br />
Grundwasserneubildung = ( Nie<strong>der</strong>schlag<br />
− Verdunstung)<br />
⋅ tan( A / Au − Stufe)<br />
Die ermittelten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n werden bei versiegelten Flächen um<br />
den jeweiligen Versiegelungsfaktor reduziert. Die einzelnen Verfahrensschritte sind<br />
in dem Fließdiagramm (vgl. Abbildung 58) veranschaulicht.
116<br />
ATKIS<br />
Geologie<br />
Bodenkunde<br />
DHM<br />
Verfahren nach Dörhöfer & Josopait<br />
Landnutzung<br />
Acker/Grünland,<br />
Wald, Moor,<br />
Versiegelung<br />
Flurabstand<br />
< 12.5 dm<br />
Substrat<br />
Sand, Lehm, Ton<br />
und Untergruppen<br />
Reliefenergie<br />
ET-Stufe<br />
N_unkorr<br />
A/Au-Stufe<br />
Abbildung 58: Schematische Darstellung des Verfahrenganges für das Verfahren<br />
nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
5.7 Verfahren nach SCHROEDER & WYRWICH (1990)<br />
Versiegelungsfaktor<br />
In das Verfahren nach SCHROEDER & WYRWICH (1990) gehen die unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlagshöhen,<br />
die aus <strong>der</strong> Geologie abgeleiteten Bodentypen, die Landnutzung<br />
und Reliefenergie ein (vgl. Kapitel 4). Als erstes werden die Flächen gemäß ihrer<br />
Landnutzung und ihres Bodentypes in verschiedene reale Evapotranspirationsklassen<br />
eingeordnet (vgl. Tabelle 37). Die Bodentypen ergeben sich anhand <strong>der</strong> Höhe<br />
<strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität (vgl. Kapitel 4.3) bzw. anhand des Flurabstandes. Bis zu<br />
einem Flurabstand 12,5 dm werden Böden als semiterrestrisch eingestuft, wenn aufgrund<br />
<strong>der</strong> Klassifizierung von langen Staunässephasen ausgegangen wird. Nach<br />
ATKIS-Daten klassifizierte Moore erhalten den Gebietsmittelwert <strong>der</strong> Seeverdunstung<br />
von 600 mm/a.<br />
Tabelle 37: Reale Evapotranspirationshöhen in Abhängigkeit von Bodentyp und Landnutzung in<br />
mm/a, aus SCHROEDER & WYRWICH (1990)<br />
Bodentyp Acker- / Grünlandflächen Laubwald Mischwald Nadelwald<br />
terrestrische Sandböden (tS) 380 480 540 600<br />
terrestrische Lehmböden (tL) 440 540 600 660<br />
semiterrestrische Böden (sB) 550 650 700 750<br />
Die Höhe des Direktabflusses richtet sich nach dem Substrattyp, <strong>der</strong> Reliefenergie<br />
und <strong>der</strong> Landnutzung. Die Berechnung erfolgt nur für die Landnutzung Acker- /<br />
Grünland, da für Waldflächen angenommen wird, daß kein Oberflächenabfluß auftritt.<br />
Auf sandigem Substrat mit einer Reliefenergie von 0 -< 20 m/km 2 tritt ebenfalls kein<br />
Oberflächenabfluß auf. Semiterrestrische Böden erhalten unabhängig von <strong>der</strong> Reliefenergie<br />
einen prozentualen Anteil (p) am Wasserüberschuß von 0,5. Die restliche<br />
Klassifizierung erfolgt gemäß Tabelle 38. Ergibt die Berechnung des Wasserüberschusses<br />
negative Werte, bleibt <strong>der</strong> Oberflächenabfluß unbeachtet.<br />
Gwn
117<br />
Tabelle 38: Ableitung des prozentualen Anteils des Direktabflusses am Wasserüberschuß in Abhängigkeit<br />
von Bodengruppe, Reliefenergie (RE) und Bewuchs - verän<strong>der</strong>t nach<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1990); tS = terrestrische Sandböden, tL = terrestrische<br />
Lehmböden, sB = semiterrestrische Böden<br />
Bodengruppe Reliefenergie Bewuchs Berechnung<br />
des prozentualen Anteils (p)<br />
am Wasserüberschuß<br />
tS<br />
0 - < 20<br />
> 20 < 40<br />
> 40<br />
Acker-/Grünland<br />
Acker-/Grünland<br />
Acker-/Grünland<br />
Wald<br />
0 - < 40<br />
Acker-/Grünland<br />
tL > 40<br />
Acker-/Grünland<br />
Wald<br />
sB unabhängig Acker-/Grünland<br />
Wald<br />
p = 0<br />
p = RE * 0,0165 – 0,33<br />
p = 0,33<br />
p = 0<br />
p = RE * 0,0165<br />
p = 0,66<br />
p = 0<br />
p = 0,5<br />
Die Berechnung des Direktabflusses und <strong>der</strong> Grundwasserneubildung (vgl.<br />
Abbildung 59) ergibt sich aus:<br />
Direktabfluß = (Nie<strong>der</strong>schlag - Verdunstung) * p<br />
und<br />
Grundwasserneubildung = (Wasserüberschuß- Direktabfluß) * Versiegelungsfaktor.<br />
ATKIS<br />
Geologie<br />
Bodenkunde<br />
DHM<br />
Verfahren nach Schroe<strong>der</strong> & Wyrwich<br />
Landnutzung<br />
Acker/Grünland, Laub-,<br />
Nadel-,Mischwald,<br />
Moor, Versiegelung<br />
Bodentyp<br />
tS, tL, sB<br />
Reliefenergie<br />
N_unkorr<br />
Et-Wert<br />
Abbildung 59: Schematische Darstellung des Verfahrenganges für das Verfahren nach<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1990)<br />
Qd<br />
Versiegelungsfaktor<br />
Gwn
118
6 Ergebnisse <strong>der</strong> Grundwasserneubildungsberechnungen<br />
6.1 Betrachtung <strong>der</strong> einzelnen Methoden<br />
119<br />
Die Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> wird für alle<br />
Methoden für den Zeitraum von 1961-1990 vorgenommen. Die klimatischen Eingangsgrößen<br />
gehen als mittlere Jahres- bzw. Halbjahreswerte in die Berechnung ein.<br />
Sowohl Landnutzung als auch die abgeleiteten Bodenkennwerte werden als konstant<br />
angesehen und entsprechen in ihrer Aktualität dem zugrunde liegenden Datenmaterial<br />
(vgl. Kapitel 3). Die Ergebnisse stellen die Höhe <strong>der</strong> mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
des Betrachtungszeitraumes dar.<br />
Die Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> wird, wenn<br />
nicht an<strong>der</strong>s angegeben, für ein Gebiet von 1240 km 2 durchgeführt. Die Landnutzung<br />
verteilt sich in diesem Gebiet auf 54 % Acker, 14 % Weide, 22 % Wald und 10 %<br />
sonstige Nutzungen. Sonstige Nutzungen bestehen aus Wohnbauflächen, Gewässern<br />
und Mooren, wobei bei Gewässern davon ausgegangen wird, daß keine<br />
Grundwasserneubildung stattfindet.<br />
Die räumliche Auflösung <strong>der</strong> Berechnungen richtet sich nach den ATKIS-Daten, welche<br />
alle Flächen mit einer Ausdehnung von > 2500 m 2 berücksichtigen. Ergebnisse<br />
werden auf dieser Basis berechnet und ausgewertet. Die Auswertung erfolgt im Bezug<br />
auf die Landnutzung in Verbindung mit dem jeweiligen Substrat. Hierbei kommt<br />
es aufgrund <strong>der</strong> Verfahrensansätze zu unterschiedlichen Klassifizierungen, die sowohl<br />
die Differenzierung <strong>der</strong> Landnutzung als auch <strong>der</strong> Bodeneigenschaften betrifft.<br />
Beson<strong>der</strong>e Berücksichtigung finden alle Flächenanteile, <strong>der</strong>en prozentualer Anteil am<br />
Gebiet 3 % übersteigt. Für diese Flächen werden das flächengewichtete Mittel des<br />
Untersuchungsgebietes angegeben. In den Karten werden die berechneten Einzelwerte<br />
durch die Darstellung des flächengewichteten Mittels für Zellgrößen von<br />
500 x 500 m wie<strong>der</strong>gegeben. Dies ermöglicht eine bessere Visualisierung <strong>der</strong> Ergebnisse.<br />
Im folgenden werden zuerst die Verfahren beschrieben, die den Direktabfluß nicht<br />
berücksichtigen (Kapitel 6.1.1 - 6.1.4). Anschließend werden die Ergebnisse <strong>der</strong><br />
Verfahren mit Berücksichtigung des Direktabflusses vorgestellt (Kapitel 6.1.5 –<br />
6.1.8). Es wird daran erinnert, daß nutzbare Feldkapazitäten von > 30 mm/a immer<br />
grundwasserbeeinflußte Böden darstellen, da es sich ihr um Moorböden handelt.<br />
6.1.1 Das Verfahren nach Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975)<br />
Anhang 6.1.1 zeigt die Ergebnisse <strong>der</strong> Berechnungen <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nach dem Verfahren nach Bagrov/Glugla (in GRUNSKE,<br />
1975). Die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nimmt von West nach Ost suk-
120<br />
zessive ab. Die höchsten Werte (> 350 mm/a) finden sich im Bereich Bargteheide. Im<br />
Nordosten dominieren Werte zwischen 200 und 300 mm/a. Im Raum Nusse fallen<br />
niedrigere Höhen auf, die anhand <strong>der</strong> großen Areale mit forstwirtschaftlicher Nutzung<br />
(Kreisforst Koberg und Farchau, Stadtforst Lübeck) erklärbar sind. Das Gebietsmittel<br />
liegt bei 288 mm/a, dieses entspricht ca. 35 % <strong>der</strong> korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagshöhe.<br />
Die Standardabweichung beträgt 62 mm/a. Die Variabilität <strong>der</strong> berechneten Werte<br />
wird, bei einem Variationskoeffizienten von 22 %, als mittel eingestuft. Die maximale<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n liegen bei > 500 mm/a und treten bei unbewachsenen<br />
Flächen mit sehr geringen nutzbaren Feldkapazitäten auf. <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
von < 100 mm/a entsprechen Gebieten mit versiegelten Flächen und hohen<br />
nutzbaren Feldkapazitäten. Für schwach versiegelte Flächen mit geringen nutzbaren<br />
Feldkapazitäten werden Werte von ca. 340 mm/a ermittelt. Das Gebietsmittel für Flächen<br />
mit Versiegelung beträgt 247 mm/a.<br />
In Abbildung 60 sind die Gebietsmittel <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n für die verschiedenen<br />
Landnutzungsarten in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität zusammengefaßt<br />
und die Häufigkeit ihres Auftretens dargestellt.<br />
mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
[mm/a]<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
350<br />
6<br />
328<br />
Abbildung 60: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität<br />
(nFK); Verfahren nach Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) ohne Berücksichtigung des<br />
Direktabflusses<br />
294<br />
256<br />
234<br />
28 27<br />
9 8<br />
220<br />
8 14 & 15 17 & 18 30 & 60<br />
nFK [mm/dm]<br />
Acker/Grünland Wald % Acker/Grünland % Wald<br />
6<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Flächenanteil [%]
121<br />
Die Höhe <strong>der</strong> mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nimmt unabhängig vom Bewuchs<br />
mit steigen<strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität ab. Die höchsten mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
von 350 mm/a finden sich bei <strong>der</strong> Landnutzung Acker/Grünland<br />
auf sandigem Substrat (nFK = 8 mm/dm), die 6 % Flächenanteile besitzt. Mit zunehmen<strong>der</strong><br />
nutzbarer Feldkapazität, welches einen Substratübergang hin zum Lehm<br />
bedeutet, verringert sich dieser Wert auf 294 mm/a. Mehr als die Hälfte des Gebietes<br />
weisen Acker/Grünlandnutzung auf lehmigen Substraten vor. Bei nutzbaren Feldkapazitäten<br />
von 30 bis 60 mm/dm, die anmoorige bis moorige Substrate mit Grundwasserbeeinflussung<br />
repräsentieren, treten im Untersuchungsgebiet <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
von ca. 220 mm/a auf. Hauptnutzungstyp ist hier Acker/Grünland (6%),<br />
Wald tritt mit < 3 % nur untergeordnet auf, weist aber ähnliche <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
vor (vgl. Tabelle 39). In Waldgebieten, die im Bereich einer nutzbaren<br />
Feldkapazität von 14 bis 18 mm/dm liegen, reduziert sich die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
um ca. 60 mm/a des jeweiligen Wertes unter Acker-/Grünlandnutzung. Die<br />
Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> wird stärker von Landnutzung als von dem<br />
Substrat beeinflußt, solange keine Grundwasserbeeinflussung vorliegt. Die mittleren<br />
Gebietswerte nehmen von:<br />
Brache > Acker/Grünland > Wald > versiegelte Flächen > grundwasserbeeinflußte<br />
Böden<br />
ab.<br />
Tabelle 39:Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität (nFK);<br />
Verfahren nach Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) ohne Berücksichtigung des Direktabflusses<br />
nFK Gwnr Flächenprozent Gwnr Flächenprozent<br />
[mm/dm] [mm/a]<br />
%<br />
[mm/a]<br />
%<br />
Acker/Grünland Acker/Grünland Wald<br />
Wald<br />
8 350 6 251 3<br />
14 & 15 328 28 256 9<br />
17 & 18 294 27 234 8<br />
30 & 60 220 6 226 2<br />
6.1.2 Grundwasserneubildungsberechnung mit dem Verdunstungskomponentensystem<br />
VEKOS (KLÄMT, 1988)<br />
Anhang 6.1.2 zeigt die Ergebnisse <strong>der</strong> Berechnungen <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>, die sich aus <strong>der</strong> Differenz von korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagshöhen<br />
und realen Evapotranspirationshöhen ergibt. Die realen Evapotranspirationshöhen<br />
wurden mit dem Verdunstungskomponentensystem VEKOS (KLÄMT,<br />
1988) ermittelt.
122<br />
Man erkennt deutlich eine Abnahme <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> von West<br />
nach Ost. Hohe <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n finden sich im nordwestlichen Bereich<br />
des Untersuchungsgebietes. Hier liegen Werte zwischen 250 – 350 mm/a vor.<br />
Die höchsten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n treten bei maximalen Nie<strong>der</strong>schlagswerten<br />
(874 mm/a) auf, wenn sehr geringe nutzbare Feldkapazitäten und landwirtschaftliche<br />
Nutzung vorliegen. Geringere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n im Bereich<br />
Bargteheide und Ahrensburg sind in erster Linie auf den Einfluß <strong>der</strong> beiden Stadtgebiete<br />
zurückzuführen. Die Werte reduzieren sich teilweise auf Höhen < 100 mm/a,<br />
wenn neben <strong>der</strong> Beeinflussung durch Bebauung auch noch hohe nutzbare Feldkapazitäten<br />
vorliegen. Das Gebietsmittel für versiegelte bzw. teilversiegelte Bereiche<br />
beträgt 227 mm/a. Im Nordosten des Untersuchungsgebietes dominieren Werte zwischen<br />
200 bis 300 mm/a. Im Südosten (Bereich Büchen) treten flächenhaft <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
< 200 mm/a auf, die im Zusammenhang mit niedrigen Nie<strong>der</strong>schlagshöhen<br />
(< 750 mm/a) stehen. Das Gebietsmittel liegt bei 276 mm/a, dieses<br />
entspricht ca. 34 % <strong>der</strong> korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagshöhe. Die Standardabweichung<br />
beträgt 62 mm/a. Die Variabilität <strong>der</strong> berechneten Werte wird, bei einem Variationskoeffizienten<br />
von 22 %, als mittel eingestuft.<br />
In Abbildung 61 sind die Gebietsmittel <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n für die verschiedenen<br />
Landnutzungsarten in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität zusammengefaßt<br />
und die Häufigkeit ihres Auftretens dargestellt.<br />
mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
[mm/a]<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
306 307<br />
5<br />
23<br />
264<br />
299<br />
Abbildung 61: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität<br />
(nFK); Grundwasserneubildungsberechnungen mit dem Verdunstungskomponentensystem<br />
VEKOS (KLÄMT, 1988)<br />
288<br />
24<br />
250<br />
9 8<br />
5<br />
292<br />
8 14 & 15<br />
nFK [mm/dm]<br />
17 & 18 30 & 60<br />
Acker Wald Grünland % Acker % Wald % Grünland<br />
4<br />
199<br />
4<br />
50<br />
45<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
Flächenanteile [%]
123<br />
Die Höhe <strong>der</strong> mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> wird im wesentlichen durch die<br />
Landnutzung bestimmt. Sie steigt bei den mineralischen Substraten folgen<strong>der</strong>maßen<br />
an: Wald < Grünland < Acker. Lediglich bei sehr hohen nutzbaren Feldkapazitäten<br />
(30 bzw. 60 mm/dm), die bei organischen Böden (Moore) auftreten, kommt es zu einer<br />
deutlichen Abnahme <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>. Grundwasserbeeinflussung<br />
führt in diesen Bereichen zusätzlich zu höheren realen Evapotranspirationshöhen<br />
und damit zu geringen Grundwasserneubildungshöhen (ca. 200 mm/a). In solchen<br />
Gebieten befinden sich bevorzugt Weiden (4 %), selten Acker bzw. Wald (vgl.<br />
Tabelle 40). Grünlandflächen auf mittleren nutzbaren Feldkapazitäten, die im Gebiet<br />
zu 9 % vertreten sind, erreichen im Gebietsmittel <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n um<br />
290 mm/a. Die Differenz zu Ackerflächen mit Werten von ca. 290 bis 310 mm/a ist<br />
relativ gering. Der größte Teil <strong>der</strong> Ackerflächen tritt in Gebieten mit mittleren nutzbaren<br />
Feldkapazitäten auf (47 %). Waldgebiete befinden sich ebenfalls vorwiegend auf<br />
Substraten mit mittleren Feldkapazitäten und zeigen mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
zwischen 250 bis 275 mm/a, wobei höhere nutzbare Feldkapazitäten zu<br />
geringeren Werten führen (vgl. Tabelle 40).<br />
Die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> wird bei diesem Verfahren im wesentlichen<br />
durch die Landnutzung bestimmt. Bodeneigenschaften spielen in weiten Bereichen<br />
eine untergeordnete Rolle. Das Auftreten von organischen Substraten o<strong>der</strong><br />
Grundwasserbeeinflussung wirkt sich hingegen stark aus. Es ergibt sich folgende<br />
Einstufung <strong>der</strong> mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> für das Untersuchungsgebiet:<br />
Acker > Grünland > Wald > versiegelte Flächen > grundwasserbeeinflußte Böden<br />
Tabelle 40: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität<br />
(nFK); Grundwasserneubildungsberechnungen mit dem Verdunstungskomponentensystem<br />
VEKOS (KLÄMT, 1988)<br />
nFK Gwnr Flächenprozent Gwnr Flächenprozent Gwnr Flächenprozent<br />
[mm/dm] [mm/a] % [mm/a] % [mm/a] %<br />
Acker Acker Grünland Grünland Wald Wald<br />
8 306 5 309 1 277 3<br />
14 & 15 307 23 299 5 264 9<br />
17 & 18 288 24 292 4 250 8<br />
30 & 60 196 2 199 4 201 2
124<br />
6.1.3 Das Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990)<br />
Im Gegensatz zu den beiden vorherigen Verfahren zeigt sich eine sehr variable Verteilung<br />
<strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>. Tendenziell erkennt man eine Abnahme<br />
<strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> von West nach Ost, die jedoch wesentlich schwächer<br />
ausgebildet ist. Hohe und niedrigere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n wechseln<br />
einan<strong>der</strong> ab. Diese Verteilung spiegelt die ökologische Feinstruktur des Gebietes<br />
wi<strong>der</strong>, die sich sowohl in Hydrologie und Boden als auch im Wechsel <strong>der</strong> Landnutzungsarten<br />
zeigt.<br />
Die mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> des Gebietes beträgt 224 mm/a. Dies entspricht<br />
31 % des Gebietsnie<strong>der</strong>schlages, <strong>der</strong> bei diesem Verfahren aus unkorrigierten<br />
Datenreihen ermittelt wird. Der Variationskoeffizient ist mit einem Wert von 40 %<br />
hoch, wobei die Standardabweichung bei 90 mm/a liegt. Maximale <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
liegen bei ca. 380 mm/a und treten im nie<strong>der</strong>schlagsreicheren<br />
Nordwesten des Gebietes auf, wenn Ackernutzung auf geringe nutzbare Feldkapazität<br />
trifft. Aber auch im östlichen Teils des Untersuchungsgebietes werden, trotz <strong>der</strong><br />
um etwa 10 % niedrigeren Nie<strong>der</strong>schlagshöhen, bei sonst gleichen Bedingungen,<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n von ca. 310 mm/a (Bereich Siebeneichen) erreicht.<br />
Negative Beträge korrelieren mit grundwasserbeeinflußten Gebieten, die Grünlandnutzung<br />
vorweisen. Diese sind im Raum Bergedorf beson<strong>der</strong>s auffällig. Beson<strong>der</strong>s<br />
deutlich erkennt man bei diesem Verfahren die Verringerung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
aufgrund des Bestandes Wald. In den Gebieten Schwarzenbek (Sachsenwald),<br />
Nusse (Kreisforst Koberg, Kreisforst Farchau, Stadtforst Lübeck) und<br />
Krummesse (Bliestorfer Wald, Kannenbruch) führt dies zu Werten, die in <strong>der</strong> Regel<br />
Höhen von < 150 mm/a besitzen. Im Kannenbruch liegen zudem geringe Flurabstände<br />
vor. Im Kreis Ahrensburg verringern sich die Werte <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
aufgrund des Stadteinflusses. Unter bebauten Flächen werden im Gebiet im<br />
Mittel 184 mm/a Grundwasser neugebildet.<br />
In Abbildung 62 sind die Gebietsmittel <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n für die verschiedenen<br />
Landnutzungsarten in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität zusammengefaßt<br />
und die Häufigkeit ihres Auftretens dargestellt.
mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> [mm/a]<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
-50<br />
330<br />
5<br />
288<br />
125<br />
Abbildung 62: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität<br />
(nFK); Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990)<br />
Die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> wird bei diesem Verfahren, unter Vernachlässigung<br />
<strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe, deutlich von den drei Standorteigenschaften:<br />
Flurabstand, Landnutzung und Substrat beeinflußt. Niedrige Flurabstände die meist<br />
mit hohen nutzbaren Feldkapazitäten korrelieren, wirken sich vermin<strong>der</strong>nd auf die<br />
Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> aus und dominieren, außer bei Acker, stärker<br />
als die Landnutzung. Der Einfluß <strong>der</strong> Landnutzung ist bedeuten<strong>der</strong> für die Höhe <strong>der</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> als Feldkapazitäten. Es ergibt sich folgende Hierarchie<br />
für die Beeinflussung <strong>der</strong> Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>:<br />
a) Standorteigenschaften: Flurabstand > Landnutzung > nutzbare Feldkapazität<br />
b) Landnutzung: Wald > versiegelt Flächen > Grünland > Acker<br />
Tabelle 41: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität<br />
(nFK); Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990)<br />
nFK Gwnr Flächenprozent Gwnr Flächenprozent Gwnr Flächenprozent<br />
[mm/dm] [mm/a] % [mm/a] % [mm/a] %<br />
Acker Acker Grünland Grünland Wald Wald<br />
8 330 5 331 1 159 3<br />
14 & 15 288 23 220 5 147 9<br />
17 & 18 272 24 219 4 146 8<br />
30 & 60 197 2 -24 4 66 2<br />
272<br />
220 219<br />
23<br />
24<br />
147 146<br />
9 8<br />
5<br />
4<br />
197<br />
8 14 & 15<br />
nFK [mm/dm]<br />
17 & 18 30 & 60<br />
Acker Wald Grünland % Acker % Wald % Grünland<br />
2<br />
66<br />
2<br />
4<br />
-24<br />
49<br />
42<br />
35<br />
28<br />
21<br />
14<br />
7<br />
0<br />
-7<br />
Flächenanteile [%]
126<br />
6.1.4 Das Verfahren nach PROKSCH (1990)<br />
Anhang 6.1.4 zeigt die Ergebnisse <strong>der</strong> Berechnungen <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nach dem Berechnungsansatz nach PROKSCH (1990).<br />
Auch bei diesem Verfahren zeigt sich eine, im Gegensatz zu den ersten beiden Verfahren,<br />
variable Verteilung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>. Im Vergleich zu dem<br />
Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990) ist die Abnahme <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
von West nach Ost deutlicher ausgeprägt.<br />
Die mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> des Gebietes beträgt 253 mm/a. Dies entspricht<br />
35 % des Gebietsnie<strong>der</strong>schlages (unkorrigierte Nie<strong>der</strong>schlagshöhen). Die<br />
Standardabweichung liegt bei 100 mm/a. Der Variationskoeffizient ist mit einem Wert<br />
von 40 % hoch. Maximale <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n liegen bei ca. 600 mm/a<br />
und treten in Bereichen von Sandböden ohne Vegetation auf. Generell treten hohe<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n (> 300 mm/a) bei Sandböden und <strong>der</strong> Landnutzung<br />
Acker auf. Bei <strong>der</strong> im Untersuchungsgebiet überwiegenden Ackernutzung, werden<br />
durch den Wechsel zwischen hohen und mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n die<br />
pedogenen Verhältnisse gut nachgezeichnet. Beson<strong>der</strong>s gut erkennt man dies im<br />
südlichen Raum (Bergedorf, Geesthacht, Büchen). Deutlich fallen Waldflächen im<br />
Gesamtbild auf, die zu einer Verringerung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> führen<br />
(Bereich Schwarzenbek, Nusse, Krumesse). Geringe <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
treten bei anmoorigen Böden auf.<br />
Bebaute Flächen besitzen im Gebietsmittel eine <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> von<br />
243 mm/a. Diese im Vergleich zu den vorherigen Verfahren relativ hohe Rate läßt<br />
sich dadurch erklären, daß im ersten Schritt die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
für Grünland berechnet wird, die dann um den jeweiligen Versiegelungsfaktor<br />
reduziert wird. Die für Grünland auf Sand ermittelten Werte liegen entgegen <strong>der</strong> Erwartung<br />
bei dem Verfahren nach PROKSCH (1990) höher als die von Acker (vgl.<br />
Tabelle 42).<br />
In Abbildung 63 sind die Gebietsmittel <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n für die verschiedenen<br />
Landnutzungsarten in Abhängigkeit von <strong>der</strong> Substratklasse zusammengefaßt<br />
und die Häufigkeit ihres Auftretens dargestellt.
mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
[mm/a]<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
354<br />
16<br />
179<br />
10<br />
361<br />
4<br />
288<br />
24<br />
159<br />
8<br />
254<br />
4<br />
127<br />
Abbildung 63: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den Substratklassen: s = Sand,<br />
ls = lehmiger Sand, l = Lehm, nh = Nie<strong>der</strong>moor, hh = Hochmoor; Verfahren nach<br />
PROKSCH (1990)<br />
Bei diesem Verfahren wirken sich sowohl Bodeneigenschaften als auch die Art <strong>der</strong><br />
Landnutzung auf die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> aus. Der Einfluß <strong>der</strong><br />
Bodenart überwiegt deutlich den <strong>der</strong> Landnutzungsarten Acker und Grünland. Bei<br />
Waldstandorten spielt das Substrat eine untergeordnete Rolle. Im Flächenmittel werden<br />
unter Wald mit Sandböden (10 % Flächenanteil) ca. 180 mm/a Grundwasser<br />
bzw. bei reinen Lehmböden 185 mm/a neugebildet (vgl. Tabelle 42). Bei lehmigen<br />
Sanden verringert sich die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> auf ca. 160 mm/a. Im Gegensatz<br />
zur Ackernutzung ist bei forstwirtschaftlicher Nutzung die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
nicht abhängig von dem Feinkornanteil des Substrates. Unter<br />
Acker nimmt die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> mit zunehmenden Feinkornanteil sukzessive<br />
von 354 mm/a bei Sandböden (16 % Flächenanteil), über 288 mm/a bei lehmigen<br />
Sanden (22 % Flächenanteil) auf 212 mm/a bei reinen Lehmen (12 % Flächenanteil)<br />
ab. Bei Grünlandnutzung wirkt sich <strong>der</strong> Übergang von Sand zu lehmigen<br />
Sand ebenfalls verringernd auf die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> aus. Sie sinkt von<br />
rund 360 mm/a auf ca. 250 mm/a, steigt jedoch bei Lehmen wie<strong>der</strong> auf ca. 350 mm/a<br />
an. Verfahrensbedingt zeigen sich bei Mooren keine Unterschiede in <strong>der</strong> Höhe <strong>der</strong><br />
219<br />
12<br />
122<br />
s ls<br />
Substratklasse<br />
l nh & hh<br />
Acker Wald Grünland % Acker % Wald % Grünland<br />
4<br />
50<br />
45<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
Flächenanteile [%]
128<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>, da für diese unabhängig vom Bewuchs die Bilanz von<br />
Seen verwendet wurde.<br />
Im Untersuchungsgebiet ergibt sich für die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
die Reihenfolge :<br />
Grundwasserbeeinflussung < Wald < Versiegelung < Acker & Grünland<br />
Tabelle 42: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den Substratklassen: s = Sand,<br />
ls = lehmiger Sand, l = Lehm, nh = Nie<strong>der</strong>moor, hh = Hochmoor; Verfahren nach<br />
PROKSCH (1990)<br />
nFK<br />
[mm/dm]<br />
Gwnr<br />
[mm/a]<br />
Acker<br />
Flächenprozent<br />
%<br />
Acker<br />
Gwnr<br />
[mm/a]<br />
Grünland<br />
Flächenprozent<br />
%<br />
Grünland<br />
Gwnr<br />
[mm/a]<br />
Wald<br />
Flächenprozent<br />
%<br />
Wald<br />
s 354 16 361 4 180 10<br />
ls 288 24 253 4 159 8<br />
l 219 13 350 2 185 2<br />
nh & hh 120 2 121 4 122 2<br />
6.1.5 Das Verfahren nach Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) unter Berücksichtigung<br />
des Direktabflusses<br />
Bei diesem Verfahren gehen die für die 16 Einzugsgebiete ermittelten Direktabflußspenden<br />
ein (vgl. Kapitel 5.3). Da die Einzugsgebiete nicht das Gesamtgebiet abdecken,<br />
werden die Ergebnisse für ein Gebiet von ca. 930 km 2 angegeben. Für Bereiche,<br />
in denen keine Abflußwerte vorliegen, sind im Anhang 6.1.5 die ermittelten<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n ohne Berücksichtigung des Direktabflusses (vgl. Anhang<br />
6.1.1) dargestellt.<br />
Im Flächenmittel bilden sich bei diesem Verfahren 218 mm/a Grundwasser neu. Dies<br />
entspricht 27 % des Gebietsnie<strong>der</strong>schlages (korrigierte Nie<strong>der</strong>schlagshöhen). Die<br />
Standardabweichung liegt bei 64 mm/a. Die Variabilität <strong>der</strong> berechneten Werte wird<br />
bei einem Variationskoeffizienten von ca. 30 % als mittel eingestuft.<br />
Im Gesamtbild pausen sich die unterschiedlichen Direktabflußspenden durch. Die<br />
Einzugsgebietsgrenzen bilden häufig die Grenze zwischen höheren und niedrigeren<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n. Im Nordwesten des Gebietes fallen hohe Direktabflußspenden<br />
mit hohen Nie<strong>der</strong>schlägen zusammen, so daß mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
vorherrschen. Im Osten wirken sich die mittleren bis hohen Direktabflußspenden<br />
stärker sichtbar auf die Berechnungsergebnisse aus, da dort geringere<br />
Nie<strong>der</strong>schlagshöhen eingehen (Einzugsgebiete 4, 5 und 9). In diesem Bereich<br />
ist zudem deutlich <strong>der</strong> Einfluß <strong>der</strong> Landnutzung (z.B. Kreisforst Koberg) und <strong>der</strong><br />
Grundwasserbeeinflussung (Duvenseer Moor) zu erkennen. Im Süden und Südwesten<br />
sind die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n mittel bis hoch, bei relativ geringen Ab-
129<br />
flußspenden. Die höchsten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n (> 300 mm/a) finden sich<br />
im Einzugsgebiet <strong>der</strong> Bille / Sachsenwaldau. Maximale <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
liegen bei > 500 mm/a und treten bei unbewachsenen Flächen mit sehr geringen<br />
nutzbaren Feldkapazitäten auf. <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n von < 50 mm/a entsprechen<br />
Gebieten mit versiegelten Flächen und hohen nutzbaren Feldkapazitäten.<br />
Das Gebietsmittel für Flächen mit Versiegelung beträgt ca. 200 mm/a.<br />
In Abbildung 64 sind die Gebietsmittel <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n für die verschiedenen<br />
Landnutzungsarten in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität zusammengefaßt<br />
und die Häufigkeit ihres Auftretens dargestellt. Die Höhe <strong>der</strong> mittleren<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nimmt mit steigen<strong>der</strong> nutzbarer Feldkapazität ab. Die<br />
höchsten mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n von 279 mm/a finden sich bei <strong>der</strong><br />
Landnutzungsart Acker/Grünland auf sandigem Substrat (nFK = 8 mm/dm), die 6 %<br />
<strong>der</strong> Flächenanteile besitzt. Mit zunehmen<strong>der</strong> nutzbarer Feldkapazität verringert sich<br />
dieser Wert auf 227 mm/a. Mehr als die Hälfte des Gebietes weisen Akker/Grünlandnutzung<br />
auf lehmigen Substraten vor. Bei nutzbaren Feldkapazitäten<br />
von 30 bzw. 60 mm/dm treten im Untersuchungsgebiet <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
von ca. 120 mm/a auf. Hauptnutzungstyp ist hier mit 6 % Flächenanteil Akker/Grünland<br />
(vgl. Tabelle 43).<br />
mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
[mm/a]<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
279<br />
6<br />
254<br />
197<br />
31<br />
Abbildung 64: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität<br />
(nFK); Verfahren nach Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) unter Berücksichtigung<br />
des Direktabflusses<br />
227<br />
164<br />
25<br />
9 9<br />
121<br />
8 14 & 15 17 & 18 30 & 60<br />
nFK [mm/dm]<br />
Acker/Grünland Wald % Acker/Grünland % Wald<br />
6<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Flächenanteil [%]
130<br />
In Waldgebieten, die im Bereich einer nutzbaren Feldkapazität von 14 bis 18 mm/dm<br />
liegen, reduziert sich die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> um ca. 60 mm/a des<br />
jeweiligen Wertes unter landwirtschaftlicher Nutzung. Die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
wird stärker von <strong>der</strong> Landnutzung als von dem Substrat beeinflußt,<br />
solange keine Grundwasserbeeinflussung vorliegt. Die mittleren Gebietswerte nehmen<br />
von:<br />
Brache > Acker/Grünland > versiegelte Flächen > Wald > Grundwasserbeeinflussung<br />
ab.<br />
Tabelle 43:Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität (nFK);<br />
Verfahren nach Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) unter Berücksichtigung des Direktabflusses<br />
nFK Gwnr Flächenprozent Gwnr Flächenprozent<br />
[mm/dm] [mm/a]<br />
%<br />
[mm/a]<br />
%<br />
Acker/Grünland Acker/Grünland Wald<br />
Wald<br />
8 279 6 188 3<br />
14 & 15 254 31 197 9<br />
17 & 18 227 25 164 9<br />
30 & 60 121 6 137 2<br />
6.1.6 Das Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975)<br />
Anhang 6.1.6 zeigt die Ergebnisse <strong>der</strong> Berechnungen <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nach dem Berechnungsansatz nach JOSOPAIT & LILLICH<br />
(1975). An<strong>der</strong>s als im vorherigen Verfahren werden hier die Direktabflüsse anhand<br />
von den spezifischen Standorteigenschaften geschätzt (vgl. Kapitel 5.5).<br />
Die Verteilung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Gebiet ist bei diesem Verfahren<br />
sehr heterogen. Dies wird durch den sehr hohen Variabilitätskoeffizienten von 50 %<br />
verdeutlicht. Das Gebietsmittel liegt bei 200 mm/a (28 % des Gebietsnie<strong>der</strong>schlages),<br />
bei einer Standardabweichung von 100 mm/a. Gebiete mit mittleren bis hohen<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n treten tendenziell im Südwesten auf, während geringere<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n im Nordosten zu finden sind. Die Höhe <strong>der</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> wird deutlich von Substrateigenschaften geprägt. So<br />
fallen beson<strong>der</strong>s Bereiche auf, die als Bodenart Sand besitzen (z.B. Bereich Glinde,<br />
Schwarzenbek und Geesthacht). Hier finden sich unter Ackernutzung in Kombination<br />
mit Sandböden sehr hohe <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n. Maximale Werte werden<br />
bei unbewachsenen Sandböden (> 500 mm/a) gebildet. Niedrige <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
(< 100 mm/a) korrelieren mit grundwasserbeeinflußten Gebieten o<strong>der</strong><br />
mit Hangneigungen > 4 % (z.B. Bereich Bergedorf, Büchen, Nusse). In bebauten<br />
Gebieten bildet sich im Gebietsmittel ca. 200 mm/a Grundwasser neu. Diese ungewöhnlich<br />
hohen Werte erklären sich aufgrund des, von den an<strong>der</strong>en Verfahren abweichenden,<br />
Berechnungsansatzes für versiegelte Flächen. Bei diesem Verfahren
131<br />
wird <strong>der</strong> Einfluß <strong>der</strong> Versiegelung über den Direktabfluß berücksichtigt, wobei versiegelte<br />
Bereiche den selben Abflußwert wie Lehmböden erhalten.<br />
In Abbildung 65 sind die Gebietsmittel <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n für die verschiedenen<br />
Landnutzungsarten in Abhängigkeit vom Substrat dargestellt.<br />
Bei diesem Verfahren wirkt sich die Art <strong>der</strong> Landnutzung nur geringfügig auf die Höhe<br />
<strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> aus. Entscheidend für die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
ist die Bodengruppe. Die mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
unter Ackerflächen mit Sandböden (20 % Flächenanteil) beträgt 315 mm/a. Dieser<br />
Wert verringert sich bei Waldstandorten mit sandigem Substrat um 13 % auf<br />
275 mm/a. Auf lehmigen Böden bilden sich bei landwirtschaftlicher Nutzung (41 %<br />
Flächenanteil) rund 175 mm/a, bei forstwirtschaftlicher Nutzung ca. 150 mm/a<br />
Grundwasser neu. Moorgebiete besitzen unabhängig vom Bewuchs mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
von 25 mm/a (vgl. Tabelle 44).<br />
mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
[mm/a]<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
315<br />
20<br />
275<br />
10<br />
174<br />
41<br />
Abbildung 65: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den Bodengruppen:<br />
S = Sand, L = Lehm, H = Moor; Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975)<br />
Die Höhe <strong>der</strong> Grundwasserneubildung steigt also von grundwasserbeeinflußten Böden<br />
über Lehm zu Sand an, wobei unter Acker/Grünlandflächen höhere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
vorzufinden sind als bei Waldflächen.<br />
148<br />
10<br />
25<br />
Sand Lehm Moor<br />
Bodenartengruppe<br />
6<br />
100<br />
Acker/Grünland Wald % Acker/Grünland % Wald<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Flächenanteil [%]
132<br />
Tabelle 44:Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den Bodengruppen: S = Sand,<br />
L = Lehm, H = Moor; Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975)<br />
Bodenarten- Gwnr Flächenprozent Gwnr Flächenprozent<br />
hauptgruppe [mm/a]<br />
%<br />
[mm/a]<br />
%<br />
Acker/Grünland Acker/Grünland Wald<br />
Wald<br />
S 315 20 275 10<br />
L 174 41 148 10<br />
H 25 6 25 2<br />
6.1.7 Das Verfahren nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
Anhang 6.1.7 zeigt die Ergebnisse <strong>der</strong> Berechnungen <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nach dem Berechnungsansatz nach DÖRHÖFER &<br />
JOSOPAIT (1980).<br />
Das Gebietsmittel <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> beträgt bei diesem Verfahren<br />
168 mm/a (23 % des Gebietsnie<strong>der</strong>schlages), bei einer Standardabweichung von<br />
66 mm/a und einem Variationskoeffizienten von 40 %. Im großen und ganzen zeigt<br />
sich, bis auf den nördlichen Bereich, ein relativ homogenes Verteilungsmuster <strong>der</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>. Im Westen des Untersuchungsgebietes liegen die<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n zwischen 200 und 300 mm/a. Vereinzelt treten niedrigere<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n auf, die z. B. im Raum Ahrensburg durch versiegelte<br />
Flächen hervorgerufen werden. Im Gebietsmittel werden unter versiegelten<br />
Flächen ca. 150 mm/a Grundwasser neugebildet. Im Raum Bergedorf führen niedrige<br />
Flurabstände und hohe Reliefenergie zu geringen Werten. Die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
nimmt nach Osten hin auf Werte zwischen 100 und 200 mm/a ab. Auch<br />
hier korrelieren Werte unter 100 mm/a mit grundwasserbeeinflußten Bereichen o<strong>der</strong><br />
mit ausgeprägtem Relief. Im Norden fällt beson<strong>der</strong>s <strong>der</strong> Raum Eichede auf, wo es in<br />
einem weiten Bereich zu <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n von unter 150 mm/a kommt,<br />
während in <strong>der</strong> Umgebung höhere Werte dominieren. Grund für die geringere<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> ist ein Wechsel <strong>der</strong> Bodenart, von lehmigem Sand in<br />
den umliegenden Bereichen zu Reinlehmen im Bereich Eichede.<br />
In Abbildung 66 sind die Gebietsmittel <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n für die verschiedenen<br />
Landnutzungsarten in Abhängigkeit von <strong>der</strong> Bodenartengruppe zusammengefaßt<br />
und die Häufigkeit ihres Auftretens dargestellt.<br />
Die Höhe <strong>der</strong> mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nimmt mit steigendem Feinkornanteil<br />
ab. Dies gilt sowohl für forstwirtschaftliche als auch für landwirtschaftliche<br />
Nutzung. Die dominierenden Bodenartengruppen im Untersuchungsgebiet sind Sande<br />
und sandige Lehme. Bei diesen Bodenartengruppen wirkt sich die Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong><br />
Landnutzung bei gleichem Substrat stärker auf das Ergebnis aus als die Än<strong>der</strong>ung
133<br />
des Substrates bei gleicher Nutzung. So wird auf Sandböden mit Ackernutzung<br />
(20 % <strong>der</strong> Fläche) ca. 220 mm/a Grundwasser neugebildet, während es bei Waldstandorten<br />
auf Sand (10 % <strong>der</strong> Fläche) nur noch 170 mm/a sind. Dies bedeutet, daß<br />
die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> unter Ackerflächen auf Sand um 30 % höher liegt<br />
als bei Waldstandorten.<br />
mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> [mm/a]<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
221<br />
20<br />
171<br />
197<br />
29<br />
149<br />
10 9<br />
Abbildung 66: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den Bodenartengruppen:<br />
ss = Reinsande, ls = Lehmsande, tl = Tonlehme, ll =Normallehme, sl = Sandlehme,<br />
nh = Nie<strong>der</strong>moor, hh = Hochmoor; Verfahren nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
Bei sandigen Lehmen bzw. lehmigem Sand (29 % <strong>der</strong> Fläche) reduziert sich die<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Vergleich zu Sanden bei Ackerflächen um ca. 11 %<br />
auf ca. 200 mm/a bzw. bei Waldflächen (9 % <strong>der</strong> Fläche) um ca. 13 % auf 150 mm/a.<br />
Bei Reinlehmen und Moorböden hingegen verringert sich <strong>der</strong> Einfluß <strong>der</strong> Landnutzung<br />
und tritt hinter dem des Substrates zurück. Hier betragen die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
für Ackerflächen im Gebietsmittel 115 mm/a und für Waldflächen ca.<br />
100 mm/a (vgl. Tabelle 45). Insgesamt trifft man bei 13 % <strong>der</strong> Fläche Ackernutzung<br />
in Kombination mit Reinlehmen an. Die geringsten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
von ca. 80 mm/a werden unabhängig vom Bewuchs bei grundwasserbeeinflußten<br />
Mooren ermittelt, die 6 % <strong>der</strong> Fläche einnehmen. Die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
wird stärker von <strong>der</strong> Landnutzung als von dem Substrat beeinflußt. Ausnahmen<br />
bilden Reinlehme o<strong>der</strong> Grundwasserbeeinflussung.<br />
115<br />
13<br />
79<br />
ss ls & sl ll & tl nh & hh<br />
Bodenartengruppe<br />
6<br />
100<br />
Acker/Grünland Wald % Acker/Grünland % Wald<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Flächenanteil [%]
134<br />
Tabelle 45: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den Bodenartengruppen: ss<br />
= Reinsande, us = Schluffsande, ls = Lehmsande, tl = Tonlehme, ll =Normallehme,<br />
sl = Sandlehme, nh = Nie<strong>der</strong>moor, hh = Hochmoor; Verfahren nach DÖRHÖFER &<br />
JOSOPAIT (1980)<br />
Bodenartengruppe<br />
Gwnr<br />
[mm/a]<br />
Acker/Grünland<br />
Flächenprozent<br />
%<br />
Acker/Grünland<br />
Gwnr<br />
[mm/a]<br />
Wald<br />
Flächenprozent<br />
%<br />
Wald<br />
ss 221 20 171 10<br />
ls & sl 197 29 149 9<br />
ll & tl 115 13 99 2<br />
nh & hh 79 6 82 2<br />
6.1.8 Das Verfahren nach SCHROEDER & WYRWICH (1990)<br />
Anhang 6.1.8 zeigt die Ergebnisse <strong>der</strong> Berechnungen <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nach dem Berechnungsansatz nach SCHROEDER &<br />
WYRWICH (1990).<br />
Die Verteilung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> läßt bei diesem Verfahren keine<br />
ausgeprägten regionalen Trends erkennen. Die mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
für das Gebiet beträgt ca. 200 mm/a (28 % des Gebietsnie<strong>der</strong>schlages). Die<br />
Standardabweichung beträgt rund 100 mm/a, so daß sich ein sehr hoher Variabilitätskoeffizient<br />
von fast 50 % ergibt. Hohe und niedrige Werte wechseln einan<strong>der</strong> ab.<br />
Maximale <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n (> 350 mm/a) finden sich bei Ackerstandorten<br />
auf terrestrischen Sandböden (z.B. Raum Geesthacht, Schwarzenbek). Die<br />
geringsten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n (< 50 mm/a) entsprechen Bereichen mit<br />
Grundwasserbeeinflussung, die forstwirtschaftlich genutzt werden (z.B. Bliestorfer<br />
Wald bei Krumesse). Generell sind semiterrestrische Böden durch niedrige <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
gekennzeichnet. Auch <strong>der</strong> Einfluß <strong>der</strong> Landnutzung auf die<br />
Ergebnisse läßt sich gut nachvollziehen. Geringe Werte im Bereich Schwarzenbek<br />
haben ihre Ursache in den großräumigen forstlichen Nutzung (Sachsenwald). Im Bereich<br />
Ahrensburg sind niedrige <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n eine Folge <strong>der</strong> Versiegelung,<br />
die sich auch in an<strong>der</strong>en Bereichen gut nachvollziehen läßt (z.B. Reinbek,<br />
Bargteheide). Die mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> für bebaute Flächen liegt bei<br />
125 mm/a. Bei diesem Verfahren wirken sich gleichermaßen Landnutzung und Bodentyp<br />
auf die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> aus, so daß ein buntes Mosaik<br />
entsteht. Klimatische Einflüsse werden dadurch verdeckt.
mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> [mm/a]<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
341<br />
18<br />
189<br />
9<br />
218<br />
41<br />
142<br />
10<br />
135<br />
Abbildung 67: Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den Bodentypen:<br />
tS = terrestrische Sandböden, tL = terrestrische Lehmböden, sB = semiterrestrische<br />
Böden; Verfahren nach SCHROEDER & WYRWICH (1990)<br />
In <strong>der</strong> Abbildung 67 erkennt man bei allen Nutzungsarten im Gebietsmittel eine deutliche<br />
Abnahme <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> von terrestrischen Sandböden über<br />
Lehmböden zu den semiterrestrischen Böden. Die höchsten mittleren <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
von ca. 340 mm/a finden sich bei <strong>der</strong> Landnutzungsart Akker/Grünland<br />
auf terrestrischen Sandböden, die 18 % <strong>der</strong> Flächenanteile besitzen.<br />
Mehr als 40 % des Gebietes weisen Acker/Grünlandnutzung auf lehmigen Substraten<br />
vor, wobei sich hier im Gebietsmittel ca. 220 mm/a. Grundwasser neubilden. Die<br />
geringsten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n werden bei landwirtschaftlicher Nutzung<br />
auf semiterrestrischen Böden erzielt. Bei forstwirtschaftlicher Nutzung ergeben sich<br />
für terrestrische Sandböden <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n von ca. 190 mm/a, bei<br />
terrestrische Lehmböden ca. 140 mm/a und bei semiterrestrischen Böden<br />
ca. 15 mm/a (vgl. Tabelle 46). Der Einfluß <strong>der</strong> Bodenart wirkt sich bei landwirtschaftlicher<br />
Nutzung stärker auf die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> aus als bei<br />
forstwirtschaftlicher Nutzung. So verringert sich die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> bei<br />
Ackerflächen bei einem Substratwechsel von Sand zu Lehm, um ca. 35 %, während<br />
es bei Waldflächen nur ca. 25 % sind. Unterschiedliche Landnutzungen bei Sanden<br />
führen zu einer Differenz von ca. 45 % bzw. 25 % bei Waldflächen.<br />
86<br />
tS tL<br />
Bodentyp<br />
sB<br />
Acker/Grünland Wald % Acker/Grünland % Wald<br />
9<br />
14<br />
3<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Flächenanteil [%]
136<br />
Tabelle 46:Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) des Untersuchungsgebietes mit prozentualen<br />
Flächenanteilen <strong>der</strong> Nutzungsart in Abhängigkeit von den Bodentypen: tS = terrestrische<br />
Sandböden, tL = terrestrische Lehmböden, sB = semiterrestrische Böden; Verfahren nach<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1990)<br />
Bodentyp Gwnr<br />
[mm/a]<br />
Acker/Grünland<br />
Flächenprozent<br />
%<br />
Acker/Grünland<br />
Gwnr<br />
[mm/a]<br />
Wald<br />
Flächenprozent<br />
%<br />
Wald<br />
tS 341 18 189 9<br />
tL 218 41 142 10<br />
sB 86 9 14 3<br />
6.2 Methodenvergleich<br />
Die Ergebnisse <strong>der</strong> nach den verschiedenen Verfahren ermittelten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
werden im folgenden einan<strong>der</strong> gegenüber gestellt. Dies ermöglicht einen<br />
Überblick über die vorliegende Ergebnisbandbreite und veranschaulicht die Unterschiede<br />
zwischen den Verfahren. In Abbildung 68 sind die Ergebnisse <strong>der</strong> verschiedenen<br />
Berechnungen in einem Kasten-Faden-Diagramm zusammengefaßt.<br />
Dargestellt sind <strong>der</strong> Wertebereich <strong>der</strong> Mittelwerte + Standardabweichung, Minimum<br />
und Maximum <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>.<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> [mm/a]<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
-100<br />
224<br />
253<br />
276<br />
288<br />
R & W P VEKOS B1 B2 S & W J & L D & J<br />
Abbildung 68: Kasten-Faden-Diagramm <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
(1961-1990); R & W = RENGER & W ESSOLEK (1990), P = PROKSCH (1990);<br />
B1 = Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) ohne Berücksichtigung des Direktabflusses,<br />
B2 = Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) mit Berücksichtigung des Direktabflusses,<br />
S & W = SCHROEDER & WYRWICH (1990), J & L = JOSOPAIT & LILLICH (1975);<br />
D & J = DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
234<br />
204<br />
202<br />
168
137<br />
Unter den Verfahren, die den Direktabfluß nicht berücksichtigen, werden im Gebietsmittel<br />
bei dem Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990) am wenigsten und<br />
nach Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) am meisten Grundwasser neugebildet. Die<br />
Differenz zwischen den beiden beträgt ca. 60 mm/a. Die höchste Variabilität <strong>der</strong> Daten<br />
zeigen mit einem Variationskoeffizienten von 40 % das Verfahren nach RENGER &<br />
WESSOLEK (1990) und das Verfahren nach PROKSCH (1990), welches gleichzeitig die<br />
größte Spanne zwischen Minimum und Maximum (584 mm/a) vorweist (vgl. Tabelle<br />
47). Dies liegt daran, daß dieses Verfahren auch die Berechnung von Flächen ohne<br />
Bewuchs berücksichtigt, die erwartungsgemäß hohe <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
besitzen.<br />
Bei den Verfahren, die den Direktabfluß berücksichtigen, liefern das Verfahren nach<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1990) bzw. JOSOPAIT & LILLICH (1975) gleiche Gebietsmittel<br />
von ca. 200 mm/a, während das Verfahren nach Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975)<br />
um ca. 30 mm/a höhere Werte liefert. Das geringste Gebietsmittel ergibt sich bei <strong>der</strong><br />
Berechnung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
(ca. 170 mm/a). Die größte Variabilität <strong>der</strong> Ergebnisse weist das Verfahren nach<br />
JOSOPAIT & LILLICH (1975) mit einem Variationskoeffizienten von 50 % auf (vgl.<br />
Tabelle 47).<br />
Tabelle 47: Statistische Kenngrößen <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
nach verschiedenen Verfahren; o. D. = ohne Berücksichtigung des<br />
Direktabflusses, m. D. = mit Berücksichtigung des Direktabflusses<br />
Verfahren Mittel<br />
[mm/a]<br />
Standardabweichung<br />
[mm/a]<br />
Variationskoeffizient<br />
%<br />
Minimum<br />
[mm/a]<br />
Maximum<br />
[mm/a]<br />
Spanne<br />
[mm/a]<br />
Renger & Wessolek o. D. 224 90 40 -60 385 445<br />
Proksch o. D. 253 101 40 17 601 584<br />
Bagrov/Glugla o. D. 288 62 22 44 593 549<br />
VEKOS o. D. 276 62 22 33 387 354<br />
Bagrov/Glugla m. D. 218 64 29 6 509 503<br />
Schroe<strong>der</strong> & Wyrwich m. D. 204 98 48 -65 399 464<br />
Josopait & Lillich m. D. 202 102 50 -50 547 597<br />
Dörhöfer & Josopait m. D. 168 66 39 16 415 399<br />
Bei einem Vergleich <strong>der</strong> beiden Verfahrensgruppen läßt sich folgende Klassifizierung<br />
für das Untersuchungsgebiet vornehmen:<br />
Verfahren mit niedrigem Gebietsmittel: DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
Verfahren mit mittlerem Gebietsmittel: Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) (mit Berücksichtigung<br />
des Direktabflusses), SCHROEDER & WYRWICH (1990), JOSOPAIT &<br />
LILLICH (1975), RENGER & WESSOLEK (1990)<br />
Verfahren mit hohem Gebietsmittel: PROKSCH (1990), Bagrov/Glugla (in GRUNSKE,<br />
1975) (ohne Berücksichtigung des Direktabflusses), VEKOS (KLÄMT, 1988) .
138<br />
Um die Auswirkungen von unterschiedlichen Standortfaktoren auf die Berechnungsergebnisse<br />
<strong>der</strong> Verfahren vergleichbar zu machen, werden diese normiert. Für die<br />
Normierung werden die Standardabweichung <strong>der</strong> bereits in Kapitel 6.1 beschriebenen<br />
absoluten Höhen herangezogen. Die in Abbildung 69 und Abbildung 70 hervorgehobenen<br />
Bereiche sind in Zusammenhang mit den umgebenden Gebieten zu interpretieren.<br />
Für den Vergleich werden folgende Bereiche beson<strong>der</strong>s betrachtet:<br />
- Ortschaft mit Versiegelung<br />
- Waldfläche<br />
- Substratwechsel<br />
- Hohe Reliefenergie<br />
- Grundwasserbeeinflussung<br />
- Sandboden<br />
In Abbildung 69 und Abbildung 70 tragen diese Bereiche die selbe Numerierung. Allen<br />
Verfahren ist gemein, daß sie mehr o<strong>der</strong> weniger deutlich den West-Ost-Trend<br />
<strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhen wi<strong>der</strong>spiegeln. Bei Verfahren, die den Direktabfluß berücksichtigen,<br />
kann <strong>der</strong> Einfluß <strong>der</strong> Standortfaktoren durch den des Direktabflusses<br />
überlagert werden.<br />
Einfluß von Versiegelung (Gebiet 1)<br />
Bei allen Verfahren ist eine deutliche Verringerung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
zu erkennen. Dies ist die Folge <strong>der</strong> direkten Reduzierung des Berechnungsergebnisses<br />
in Abhängigkeit des Versiegelungsfaktors. Eine Ausnahme bildet das Verfahren<br />
nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) (vgl. Kapitel 6.1).<br />
Einfluß von Waldflächen (Gebiet 2)<br />
Der Einfluß von bewaldeten Flächen auf die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> wird von<br />
den verschiedenen Verfahren unterschiedlich stark bewertet. Die Verfahren nach<br />
RENGER & WESSOLEK (1990) sowie nach PROKSCH (1990) berücksichtigen die Auswirkung<br />
von forstwirtschaftlicher Nutzung am stärksten. Im Gegensatz zur Umgebung<br />
unterscheidet sich die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> um ca. 3 Standardabweichungen.<br />
Bei den an<strong>der</strong>en Verfahren beträgt die Differenz ca. 1 Standardabweichung.<br />
Ausnahme bildet wie<strong>der</strong>um das Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH<br />
(1975), das keinen Einfluß nachzeichnet.<br />
Substratwechsel (Gebiet 3)<br />
Im Kapitel 3.3.2 wurde auf die Existenz von Kartenrandverwerfungen hingewiesen.<br />
An diesem Beispiel wird die damit verbundene Problematik und ihre Auswirkung auf<br />
die verschiedenen Berechnungsergebnisse veranschaulicht. Hierbei handelt es sich
139<br />
um einen Substratwechsel von Lehm (westlich) zu lehmigem Sand (östlich). Dieser<br />
abrupte Wechsel an <strong>der</strong> Kartengrenze ist nicht natürlichen Ursprungs. Beim Verfahren<br />
nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) sticht diese Grenze sofort ins Auge, da dort<br />
ein Sprung in <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> von 2 Standardabweichungen vorliegt.<br />
Die Berechnungen nach den Verfahren von PROKSCH (1990) und JOSOPAIT &<br />
LILLICH (1975) zeigen diesen Effekt in abgeschwächter Form. Auf die an<strong>der</strong>en Verfahren<br />
wirkt sich <strong>der</strong> Wechsel nicht sichtbar aus, da die Höhe <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität<br />
in die Klassifizierung eingeht. Diese unterscheidet sich zwischen den beiden<br />
Substraten kaum.<br />
Einfluß erhöhter Reliefenergie (Gebiet 4)<br />
Um den Einfluß einer erhöhten Reliefenergie nachzuweisen, wird das Naturschutzgebiet<br />
Hahnheide betrachtet. In diesem Gebiet wird das Relief nicht durch tiefer eingeschnittene<br />
Vorfluter erzeugt. Somit kommt es zu keiner Überlagerung durch<br />
Grundwasserbeeinflussung. Die Reliefenergie nimmt hier Werte von mehr als<br />
50 m/km 2 an. Anhand <strong>der</strong> Darstellung ist bei keinem Verfahren, in das die Morphologie<br />
(vgl. Abbildung 70 b - d) eingeht, eine Beeinflussung nachzuvollziehen.<br />
Grundwasserbeeinflussung (Gebiet 5)<br />
Die Grundwasserbeeinflussung bewirkt, im Vergleich zur Umgebung, bei allen Verfahren<br />
sichtbar niedrigere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n.<br />
Einfluß von Sandböden (Gebiet 6)<br />
Das ausgewählte Gebiet stellt eine ausgedehnte Sandfläche dar. Sie wird, wie auch<br />
die umgebenden Bereiche (Lehm), nahezu ausschließlich landwirtschaftlich genutzt.<br />
Dieser Sandrücken hebt sich bei dem Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) mit<br />
<strong>der</strong> positiven Abweichung von ca. 2 Standardabweichungen vom umgebende Mittel<br />
am deutlichsten ab. Bei den an<strong>der</strong>en Verfahren tritt dieser Einfluß hinter <strong>der</strong> Nutzung<br />
zurück.<br />
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß <strong>der</strong> Einfluß <strong>der</strong> genannten Standortfaktoren<br />
sich im unterschiedlichen Maße auf die Ergebnisse auswirkt. Allen Verfahren ist gemein,<br />
daß die Nie<strong>der</strong>schlagshöhe die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> maßgeblich<br />
bestimmt. Grundwasserbeeinflussung wirkt sich bei allen Verfahren reduzierend<br />
auf die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> aus. Ein Teil <strong>der</strong> Verfahren mißt<br />
<strong>der</strong> Landnutzung eine große Bedeutung bei (RENGER & WESSOLEK, 1990). Bei dem<br />
Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) ist das Substrat ausschlaggeben<strong>der</strong> für die<br />
Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>.
140<br />
Abbildung 69: Klassifizierung <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> anhand <strong>der</strong> Standardabweichung (vgl.<br />
Tabelle 47). Verfahren ohne Berücksichtigung des Direktabflusses a) Bagrov/Glugla<br />
(in GRUNSKE, 1975), b) VEKOS (KLÄMT, 1988) , c) RENGER & W ESSOLEK (1990),<br />
d) PROKSCH (1990)
141<br />
Abbildung 70: Klassifizierung <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> anhand <strong>der</strong> Standardabweichung (vgl.<br />
Tabelle 47). Verfahren mit Berücksichtigung des Direktabflusses a) Bagrov/Glugla (in<br />
GRUNSKE, 1975), b) DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980), c) JOSOPAIT & LILLICH (1975),<br />
d) SCHROEDER & WYRWICH (1990)
142<br />
6.3 Sensitivitätsanalyse<br />
Aufgrund <strong>der</strong> Komplexität <strong>der</strong> Berechnungen sowie <strong>der</strong> unterschiedlichen Datenebenen,<br />
die von den einzelnen Verfahren benötigt werden, ist eine mathematische Fehlerbetrachtung<br />
<strong>der</strong> Ergebnisse schwierig. Statt dessen wird eine Sensitivitätsanalyse<br />
durchgeführt. Ziel <strong>der</strong> Sensitivitätsanalyse ist es, die Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Berechnungsergebnisse<br />
aufgrund von Parametervariationen zu quantifizieren.<br />
Einfache Sensitivitätsanalysen variieren nacheinan<strong>der</strong> jeweils einen Parameter (DÖLL<br />
& FOHRER, 1999). Ein Vergleich zwischen den einzelnen Sensitivitäten zeigt, auf welchen<br />
Parameter das Berechnungsergebnis am stärksten reagiert (DREYHAUPT, 1999).<br />
Bei <strong>der</strong> Berechnung von Wasserhaushaltsgrößen wird darauf hingewiesen, daß insbeson<strong>der</strong>e<br />
die Eingangsgröße Nie<strong>der</strong>schlag eine wesentliche Unsicherheit für die<br />
Güte <strong>der</strong> Ergebnisse darstellt (KASPAR & DÖLL, 1999; LAHMER ET AL., 1999; RUHE &<br />
RASCHKE, 1999). Die Abschätzung eines möglichen Berechnungsfehlers, aufgrund<br />
von unsicheren Eingangsdaten, kann nur erfolgen, wenn die Schwankungsbreite <strong>der</strong><br />
Eingangsdaten bekannt ist.<br />
Um vergleichen zu können wie stark sich die Variationen <strong>der</strong> unterschiedlichen Eingabeparameter<br />
auf das Ergebnis auswirken, muß ein Sensitivitätsindex I berechnet<br />
werden:<br />
∆rb<br />
I(<br />
∆ rp)<br />
=<br />
∆rp<br />
mit: ∆rb = relative Än<strong>der</strong>ung des Berechnungsergebnisses [%]<br />
∆rp = relative Än<strong>der</strong>ung des Parameters [%]<br />
Des weiteren wird durch die Einführung des Sensitivitätsindexes eine Vergleichbarkeit<br />
zwischen den einzelnen Verfahren ermöglicht. Bei linearer Abhängigkeit <strong>der</strong> Ergebnisse<br />
von dem jeweiligen Parameter ist <strong>der</strong> Index eine Konstante (ECKHARDT ET<br />
AL., 1999). Liegt keine lineare Abhängigkeit vor, ist I eine Funktion <strong>der</strong> relativen Än<strong>der</strong>ung<br />
des jeweiligen Parameters (∆rp). Bei Kenntnis des Indexes lassen sich die<br />
relativen Än<strong>der</strong>ungen des Berechnungsergebnisses, in Abhängigkeit von <strong>der</strong> relativen<br />
Än<strong>der</strong>ung des betrachteten Parameters, vorab berechnen:<br />
∆rb = I (∆rp) * ∆rp<br />
Außerdem kann durch eine Sensitivitätsanalyse verglichen werden, welchen Einfluß<br />
unterschiedliche Klassifizierungen nicht numerischer Parameter, wie z.B. Landnutzungs-<br />
und Substrattypen, auf die Berechnungen haben (GROSSMANN & LANGE,<br />
1999).
143<br />
Im folgenden wird zuerst <strong>der</strong> Einfluß des Substrates untersucht. Hierzu wird ein Vergleich<br />
zwischen <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
basierend auf geologischen bzw. bodenkundlichen Substratinformationen<br />
vorgenommen. Ferner werden Sensitivitätsindices für den Übergang von sandigem<br />
zu lehmigem Substrat berechnet. Es schließt sich eine Betrachtung <strong>der</strong> Einflußgröße<br />
Landnutzung an. Abschließend wird die Bedeutung <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe bemessen.<br />
Aufgrund <strong>der</strong> Vergleichbarkeit kann aufgrund <strong>der</strong> unterschiedlichen Verfahrensansätze<br />
we<strong>der</strong> die Grundwasserbeeinflussung noch <strong>der</strong> Direktabfluß berücksichtigt<br />
werden.<br />
Substrat<br />
In Kapitel 4.3.1 wurde bereits beschrieben, daß es einen Unterschied zwischen geologischer<br />
und bodenkundlicher Substratklassifizierung anhand <strong>der</strong> Kartenrandlegende<br />
gibt. Im betrachteten Raum beträgt <strong>der</strong> Anteil an unterschiedlich klassifizierten<br />
Flächen in Abhängigkeit vom Verfahren mindestens 55 %. Die Auswertung erfolgt<br />
anhand des <strong>flächendifferenzierten</strong> Mittels <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> für den<br />
Bereich Siebeneichen, Büchen und Lauenburg (ca. 215 km 2 ). Hierbei wird das Gebietsmittel,<br />
welches anhand <strong>der</strong> geologischen Karten berechnet wurde, auf 100 %<br />
gesetzt. Die in Tabelle 48 aufgeführten Werte stellen die prozentuale Abweichungen<br />
des anhand <strong>der</strong> bodenkundlichen Karten berechneten Gebietsmittel <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
von diesem Wert dar. Sensitivitätsindices werden nicht berechnet,<br />
da zuerst nur die Gesamtabweichung ohne Berücksichtigung einzelner Substrate<br />
betrachtet wird.<br />
Tabelle 48: Gebietsmittel und prozentuale Abweichung des anhand von bodenkundlichen<br />
Karten (Bodenk.) berechneten Gebietsmittel <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
(Gwnr) von dem aus geologischen Karten (Geol.) berechneten;<br />
o. D. = ohne Direktabfluß<br />
Verfahren Gwnr Geol. Gwnr Bodenk. Abweichung<br />
[mm/a] [mm/a]<br />
[%]<br />
VEKOS (KLÄMT, 1988) 228 242 6<br />
Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) o. D. 259 245 -5<br />
Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) 204 194 -5<br />
RENGER & WESSOLEK (1990) 214 200 -7<br />
PROKSCH (1990) 244 220 -10<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1990) 200 176 -12<br />
DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) 167 137 -18<br />
JOSOPAIT & LILLICH (1975) 198 151 -24<br />
Die prozentuale Abweichung fällt für die verschiedenen Verfahren sehr unterschiedlich<br />
aus. Am stärksten wird das Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) beeinflußt.<br />
Bei diesem Verfahren verringert sich die nach <strong>der</strong> geologischen Substrateinteilung<br />
berechnete <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> um mehr als 30 % gegenüber <strong>der</strong> bodenkundlichen<br />
Auswertung. Eine deutliche Beeinflussung zeigen ebenfalls die Verfahren
144<br />
nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) bzw. SCHROEDER & WYRWICH (1990). Die geringste<br />
Beeinflussung des Ergebnisses zeigt die Verfahren nach Bagrov/Glugla (in<br />
GRUNSKE, 1975). Bei den Berechnungen, welche mit dem Programm VEKOS (KLÄMT,<br />
1988) durchgeführt wurden, überrascht, daß negative Abweichungen vorliegen.<br />
Grund hierfür ist die unterschiedliche Ausweisung <strong>der</strong> Flurabstände. Während bei<br />
den bodenkundlichen Karten nur 2 % <strong>der</strong> Fläche einen Flurabstand < 8 dm besitzen,<br />
sind es bei <strong>der</strong> geologischen Auswertung 14 %.<br />
Aufgrund <strong>der</strong> unterschiedlichen Substratklassifizierung <strong>der</strong> Verfahren lassen sich<br />
durch diese erste Auswertung nur Tendenzen erkennen. Um einen Vergleich zu gestatten,<br />
werden die nutzbaren Feldkapazitäten, <strong>der</strong> im Gebiet am häufigsten auftretenden<br />
Bodenartengruppen Reinsand und Sandlehme verwendet. Bei Verfahren, die<br />
keine Differenzierung zwischen Lehm und sandigen Lehm besitzen wird <strong>der</strong> Lehmwert<br />
herangezogen. Für die Sensitivitätsanalyse beträgt die relative Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong><br />
nutzbaren Feldkapazität von Sand (8 mm/dm) zu Lehm (15 mm/dm) 87.5 %. Hieraus<br />
ergeben sich die in <strong>der</strong> Tabelle 49 aufgelisteten Sensitivitätsindices für einen Substratwechsel<br />
von Reinsand zu Sandlehmen, wobei sich die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
gegenüber Reinsanden verringert.<br />
Tabelle 49: Absolute Höhen und Sensitivitätsindices (I) <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
(Gwnr) bei vorgegebener Landnutzung und einer Substratvariation von Reinsand<br />
(ss) zu Sandlehm (sl)<br />
Verfahren<br />
ss<br />
Gwnr<br />
[mm/a]<br />
Acker Wald<br />
sl<br />
Gwnr<br />
[mm/a]<br />
I<br />
ss<br />
Gwnr<br />
[mm/a]<br />
sl<br />
Gwnr<br />
[mm/a]<br />
Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) 383 326 -0.17 274 257 -0.07<br />
VEKOS (KLÄMT, 1988) 323 306 -0.06 280 245 -0.14<br />
RENGER & WESSOLEK (1990) 361 292 -0.22 217 172 -0.24<br />
PROKSCH (1990) 373 305 -0.20 217 157 -0.31<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1990) 365 305 -0.19 205 145 -0.33<br />
JOSOPAIT & LILLICH (1975) 387 262 -0.37 355 242 -0.34<br />
DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) 382 332 -0.15 282 257 -0.10<br />
Das Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) zeigt die größte Sensitivität gegenüber<br />
einer Substratvariation von Reinsand zu Sandlehm. Die absolute Differenz beträgt<br />
bei Ackernutzung 125 mm/a und bei Wald 104 mm/a. Die Indices besitzen<br />
Werte um –0,35. Generell sind die Indices aufgrund <strong>der</strong> sehr hohen Än<strong>der</strong>ung des<br />
Ausgangsparameter (87.5 %) gering. Am geringsten wirkt sich die Än<strong>der</strong>ung bei den<br />
Verfahren nach Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975), DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
aus. Hierbei ist interessant, daß bei dem vorherigen Vergleich, <strong>der</strong> Einfluß des Substrates<br />
eine wesentlich größere Rolle zu spielen schien. Grund hierfür ist, daß die<br />
Differenz <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> zwischen Reinsand und Sandlehm wesentlich<br />
geringer ist als zwischen Sand und Reinlehm. Der Index für diese Variation<br />
beträgt für beide Landnutzungen über 0,5. Dies verdeutlicht, daß die Indices zur Be-<br />
I
145<br />
schreibung einer Substratvariation nur für die jeweilige Än<strong>der</strong>ung gelten. Es besteht<br />
keine lineare Abhängigkeit, so daß für Vergleiche an<strong>der</strong>er Substratklassen, die Indices<br />
neu berechnet werden müssen.<br />
Landnutzung<br />
Um den Einfluß <strong>der</strong> Vegetation auf die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> zu<br />
quantifizieren, wird die Abweichung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> von einem hypothetischen<br />
Einzugsgebiet mit einer Landnutzungsverteilung von je 50 % Acker und<br />
Wald berechnet. Es wird vereinfachend angenommen, daß Ackerstandorte grundsätzlich<br />
auf lehmigen und Waldstandorte auf sandigen Substraten vorzufinden sind.<br />
Die hypothetischen Einzugsgebiete besitzen ein Verhältnis von 75 % Acker zu 25 %<br />
Wald o<strong>der</strong> umgekehrt. Die Indices werden für eine Erhöhung bzw. Erniedrigung <strong>der</strong><br />
Flächenanteile an Ackernutzung berechnet (+ 25 % bzw. –25 %). In <strong>der</strong> Tabelle 50<br />
sind die absoluten Höhen <strong>der</strong> Berechnungen und die sich bei einer Variation <strong>der</strong><br />
Landnutzung ergebenden Sensitivitätsindices aufgeführt. Es zeigt sich eine lineare<br />
Abhängigkeit zwischen Flächenanteil <strong>der</strong> Landnutzung und Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>.<br />
Dies bedeutet, daß man über diesen Index für beliebige Landnutzungsverteilungen<br />
direkt die relative Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> berechnen<br />
kann. Am deutlichsten wirkt sich eine Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Landnutzungsverteilung<br />
bei den Verfahren SCHROEDER & WYRWICH (1990), PROKSCH (1990) und RENGER &<br />
WESSOLEK (1990) aus. Bei dem Verfahren nach SCHROEDER & WYRWICH (1990) liegt<br />
<strong>der</strong> berechnete Index bei 0,33. Eine Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Flächenanteile <strong>der</strong> Landnutzungsformen<br />
wirkt sich bei VEKOS-Daten am geringsten auf die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
aus. Mittleren Einfluß haben Än<strong>der</strong>ungen bei den Verfahren<br />
DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) und Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975). Ein völlig an<strong>der</strong>es<br />
Bild zeigt das Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975). Bei einer Erhöhung des<br />
Flächenanteils <strong>der</strong> Ackerflächen um 25 % erniedrigt sich die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
um ca. 20 mm/a (vgl. Tabelle 50). Dieses nicht plausible Ergebnis, beruht<br />
auf <strong>der</strong> Übergewichtung des Substrateinflusses auf die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>.<br />
Tabelle 50: Absolute Höhen und Sensitivitätsindices (I) <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr)<br />
in Abhängigkeit von Variationen <strong>der</strong> Landnutzungsverhältnisse<br />
Verfahren<br />
Flächenanteil<br />
50 % Acker<br />
50% Wald<br />
Gwnr<br />
[mm/a]<br />
Flächenanteil<br />
75 % Acker<br />
25% Wald<br />
Gwnr<br />
[mm/a]<br />
I Gwnr<br />
[mm/a]<br />
Flächenanteil<br />
25 % Acker<br />
75 % Wald<br />
Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) 300 313 0.17 287 0.17<br />
VEKOS (KLÄMT, 1988) 293 300 0.09 287 0.09<br />
RENGER & WESSOLEK (1990) 254 273 0.30 235 0.30<br />
PROKSCH (1990) 261 283 0.34 239 0.34<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1990) 255 280 0.33 230 0.33<br />
JOSOPAIT & LILLICH (1975) 304 283 -0.28 325 -0.28<br />
DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) 307 320 0.16 295 0.16<br />
I
146<br />
Zusammenfassend werden, die exemplarisch für die Nie<strong>der</strong>schlagsstation Schwarzenbek,<br />
berechneten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n <strong>der</strong> Landnutzungen Acker bzw.<br />
Wald auf Sand o<strong>der</strong> sandigem Lehm vorgestellt (vgl. Abbildung 71 und Tabelle 49).<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> [mm/a]<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> [mm/a]<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
a<br />
Acker auf Sand<br />
R & W P Vekos B S & W J & L D & J<br />
c<br />
Acker auf sandigem Lehm<br />
R & W P Vekos B S & W J & L D & J<br />
Wald auf Sand<br />
Abbildung 71: Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> in Abhängigkeit von Landnutzung und Substrat,<br />
berechnet für die Nie<strong>der</strong>schlagsstation Schwarzenbek anhand unterschiedlicher Verfahren:<br />
R & W = RENGER & WESSOLEK (1990), P = Proksch (1990); B = Bagrov/Glugla (in<br />
GRUNSKE, 1975), S & W = SCHROEDER & WYRWICH (1990), J & L = JOSOPAIT & LILLICH<br />
(1975); D & J = DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
Die mittlere Nie<strong>der</strong>schlagshöhe für die Zeitreihe 1961 - 1990 beträgt hier 745 m/a für<br />
den unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlag bzw. 810 mm/a für den korrigierten. Die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
an Standorten mit Ackernutzung und Sand sind ähnlich hoch. Sie<br />
liegt um die 50 % <strong>der</strong> jeweiligen Nie<strong>der</strong>schlagsmenge bei Werten um 370 mm/a.<br />
Ausnahme bildet die Berechnung mit dem Programm VEKOS (KLÄMT, 1988), die<br />
deutlich geringere Werte liefert (40 % des Nie<strong>der</strong>schlages). Bei Ackernutzung auf<br />
Lehm reduziert sich die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> bei den meisten Verfahren um<br />
weitere 10 %, so daß Werte um 300 mm/a vorgefunden werden. Die geringste Differenz<br />
zwischen <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> von Acker auf Sand bzw. lehmigen<br />
Sand weist mit 17 mm/a die Berechnung mit VEKOS (KLÄMT, 1988) auf, die größte<br />
Differenz das Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975). Bei Waldstandorten sind die<br />
berechneten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n sehr unterschiedlich. Auf Sand beträgt<br />
sie für die Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990), PROKSCH (1990) und<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1990) ca. 29 % <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe für die an<strong>der</strong>en<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> [mm/a]<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> [mm/a]<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
b<br />
R & W P Vekos B S & W J & L D & J<br />
d<br />
Wald auf sandigem Lehm<br />
R & W P Vekos B S & W J & L D & J
147<br />
Verfahren mit Ausnahme von JOSOPAIT & LILLICH (1975) macht sie ca. 38 % aus. Bei<br />
letzerem Verfahren findet sich eine <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> von 346 mm/a<br />
(46 % des Nie<strong>der</strong>schlages). Auf lehmigem Sand vermin<strong>der</strong>t sich die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
bei den Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990), PROKSCH<br />
(1990) und SCHROEDER & WYRWICH (1990) noch einmal deutlich auf Werte zwischen<br />
150 und 170 mm/a (ca. 20% des Nie<strong>der</strong>schlages). Die an<strong>der</strong>en Verfahren zeigen<br />
deutlich höhere Beträge von ca. 250 mm/a (ca. 32 % des Nie<strong>der</strong>schlages).<br />
Nie<strong>der</strong>schlag<br />
Als letztes soll <strong>der</strong> Einfluß <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe auf die Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
untersucht werden. Diese Betrachtung kann für den VEKOS-<br />
Datensatz aufgrund von fehlenden Informationen nicht durchgeführt werden. Bei dieser<br />
Sensitivitätsanalyse wird die Nie<strong>der</strong>schlagshöhe in Schritten von 5 % erhöht bzw.<br />
erniedrigt. Die Berechnungen werden bis zu einer Abweichungen von<br />
30 % von <strong>der</strong> mittleren Nie<strong>der</strong>schlagshöhe durchgeführt. Dieser Bereich beschreibt<br />
die in dem Untersuchungsgebiet aufgetretenen Nie<strong>der</strong>schlagsschwankungen während<br />
des Beobachtungszeitraum 1961 –1990. Die Sensitivitätsanalyse zeigt, daß<br />
zwischen Nie<strong>der</strong>schlagshöhe und <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> bei fast allen Verfahren<br />
ein linearer Zusammenhang besteht. Ausnahme bildet das Verfahren nach<br />
Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975), welches aufgrund <strong>der</strong> Ableitung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
anhand von Kurvenverläufen (vgl. Abbildung 52) keinen linearen<br />
Zusammenhang vorweist. Die Indices dieses Verfahren, die für jede Än<strong>der</strong>ung des<br />
Parameters Nie<strong>der</strong>schlag neu berechnet werden müssen, liegen bei Sandstandorten<br />
im Bereich <strong>der</strong> in Tabelle 51 aufgeführten Werte. Bei Lehmstandorten liegen die<br />
Werte bei beiden Landnutzungen zwischen 2.26 und 2.81.<br />
Tabelle 51: Sensitivitätsindices (I) <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> (Gwnr) für den<br />
Parameter Nie<strong>der</strong>schlag<br />
Verfahren<br />
Reinsand Sandlehm<br />
Acker Wald Acker Wald<br />
I I I I<br />
RENGER & WESSOLEK (1990) 1.57 2.22 1.95 2.99<br />
PROKSCH (1990) 1.43 2.37 2.11 3.71<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1990) 2.04 3.63 2.44 5.13<br />
JOSOPAIT & LILLICH (1975) 2.12 2.37 3.13 3.39<br />
DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) 1.95 2.64 3.60 4.75
148<br />
Die in Tabelle 51 aufgeführten Sensitivitätsindices zeigen wesentlich größere Werte<br />
als bei den vorherigen Berechnungen. Dies bedeutet, daß gegenüber dem Parameter<br />
Nie<strong>der</strong>schlag die höchste Sensitivität <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> besteht.<br />
Das Verfahren nach SCHROEDER & WYRWICH (1990) reagiert bei Waldstandorten am<br />
empfindlichsten auf eine Erhöhung <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsmenge, während das Verfahren<br />
nach RENGER & WESSOLEK (1990) hier die geringste Beeinflussung zeigt. Relativ gesehen<br />
wirkt sich eine Variation <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe bei Waldflächen stärker auf<br />
die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> aus als bei Ackerflächen.<br />
Zusammenfassend wird festgestellt, daß die Berechnung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
am stärksten auf die Variation des Nie<strong>der</strong>schlages reagiert. Generell spielt<br />
die Landnutzung eine größere Rolle als das Substrat. Der Einfluß <strong>der</strong> Landnutzung<br />
ist in engem Zusammenhang mit dem Substrat zu sehen, da Ackerflächen meist auf<br />
Lehmböden und Waldstandorte auf Sandböden zu finden sind.
7 Diskussion<br />
149<br />
Im folgenden Kapitel werden die Ergebnisse <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> diskutiert und die eingehenden Daten kritisch<br />
beurteilt. Die ausgewählten Verfahren werden vergleichend hinsichtlich <strong>der</strong> Ergebnisse,<br />
Fehlerquellen und Arbeitsaufwand bewertet. Es stellen sich folgende Fragen<br />
und Problematiken:<br />
− Welche Möglichkeiten gibt es die Ergebnisse zu validieren?<br />
− Wie ist die Güte <strong>der</strong> Berechnungsergebnisse?<br />
− Wie ist die Qualität <strong>der</strong> Eingangsdaten und ihre Auswirkung auf das Ergebnis?<br />
− Wie weit können Datensätze generalisiert werden, ohne daß <strong>der</strong> sich daraus<br />
ergebende Informationsverlust sich auf die Berechnungsergebnisse auswirkt?<br />
− Wo liegen die Grenzen <strong>der</strong> Anwendbarkeit <strong>der</strong> Verfahren?<br />
− Welches Verfahren wird als am geeignetsten für die Berechnung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
Gebieten angesehen?<br />
im Untersuchungsgebiet und in vergleichbaren<br />
− Welcher Arbeitsaufwand ergibt sich aus <strong>der</strong> digitalen Aufbereitung <strong>der</strong><br />
Eingangsgrößen und <strong>der</strong> Bearbeitung in einem Geoinformationssystem?<br />
− Welche weiteren Fragestellungen können mit den zusammengestellten<br />
Datensätzen bearbeitet werden?<br />
Die verwendeten Verfahren beruhen auf Abflußmessungen und / o<strong>der</strong> Lysimetermessungen<br />
bzw. Betrachtungen des Bodenwasserhaushaltes. Sie sind für die jeweiligen<br />
Untersuchungsräume entwickelt und nur dort kalibriert. Aus diesem Grunde ist<br />
es notwendig, die Berechnungsergebnisse in an<strong>der</strong>en Untersuchungsräumen anhand<br />
von Geländestudien zu verifizieren. Eine Möglichkeit <strong>der</strong> Überprüfung ist die<br />
Auswertung von Abflußdaten (BAUMGARTNER & LIEBSCHER, 1996; GLUGLA ET AL.,<br />
1999; HÖLTING, 1997A; MATTHEß & UBELL, 1978). Dabei entspricht <strong>der</strong> Basisabfluß<br />
<strong>der</strong> Grundwasserneubildung. Dieser ist ein integraler Wert für das unterirdische Einzugsgebiet.<br />
Er gibt keine Auskunft über die Güte <strong>der</strong> Differenzierung <strong>der</strong> Berechnungen<br />
innerhalb des Einzugsgebietes. Aufgrund <strong>der</strong> geringen Anzahl an Grundwassermeßstellen<br />
im Untersuchungsgebiet ist die Ableitung <strong>der</strong> unterirdischen Einzugsgebiete<br />
anhand von Grundwassergleichenplänen nicht möglich. Aus diesem Grunde<br />
können die Einzugsgebiete nur anhand <strong>der</strong> Topographie abgeleitet werden. Dies bedeutet,<br />
daß oberirdisches und unterirdisches deckungsgleich sind. Im norddeutschen<br />
Flachland weichen jedoch die oberirdischen und unterirdischen Einzugsgebiete häufig<br />
in Lage und Größe voneinan<strong>der</strong> ab (JELINEK, 1999B; BAUMANN ET AL., 1970;<br />
LILLICH, 1970). Solange die Abgrenzung des unterirdischen Einzugsgebietes nicht<br />
anhand von Grundwassergleichenplänen erfolgt, sind die Auswertungsergebnisse<br />
stark fehlerbehaftet. Abflußmessungen können als Referenzmethode zur Validierung
150<br />
<strong>der</strong> Grundwasserneubildungsberechnungen nur dann eingesetzt werden, wenn<br />
durchgehend effluente Verhältnisse vorliegen. Weitere Einschränkungen ergeben<br />
sich kommunizierenden Grundwasserleitern und anthropogenen Grundwasserbeeinflussungen<br />
(AGSTER, 1996; DÖRHÖFER & JOSOPAIT, 1997; SOMMER V. JARMERSTED,<br />
1992).<br />
Im Untersuchungsgebiet sind die Abweichungen zwischen <strong>der</strong> flächendifferenziert<br />
berechneten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> und den Abflußauswertungen hoch. Für<br />
die Einzugsgebiete werden Differenzen ermittelt, die in <strong>der</strong> Regel mehr als 100 %<br />
betragen. Grundsätzlich wird die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> durch die Berechnungsverfahren<br />
höher eingeschätzt. Eine Ausnahme bilden die gewässerkundlichen<br />
Pegelanlagen, bei denen aufgrund beson<strong>der</strong>er hydraulischer Situationen davon auszugehen<br />
ist, daß ihr unterirdisches Einzugsgebiet erheblich größer ist als das oberirdische<br />
(OTTO, 1997). Die Höhe <strong>der</strong> Differenz für das Gesamtuntersuchungsgebiet<br />
zwischen den Ergebnissen <strong>der</strong> Verfahren und denen <strong>der</strong> Abflußauswertungen ist<br />
nicht nachvollziehbar. Während es in einzelnen Einzugsgebieten aufgrund <strong>der</strong><br />
schwierigen Festlegung <strong>der</strong> Gebietsgrenzen durchaus zu Über- bzw. Unterschätzung<br />
<strong>der</strong> Abflüsse kommen kann, sollten sich im Gebietsmittel Zu- und Abstrom im wesentlichen<br />
ausgleichen.<br />
Bei einer überschlägigen Betrachtung <strong>der</strong> Wasserhaushaltsbilanz beträgt die Differenz<br />
zwischen korrigiertem Nie<strong>der</strong>schlag und potentieller Evapotranspiration nach<br />
Turc-Ivanov für das Gebietsmittel mindestens 230 mm/a (vgl. Kapitel 4.1). Wird von<br />
diesem Wert die mittlere Direktabflußmenge von ca. 120 mm/a subtrahiert, ergibt<br />
sich eine <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>, die in <strong>der</strong> Größenordnung <strong>der</strong> mittleren Basisabflüsse<br />
liegt. Da jedoch die potentielle Evapotranspiration das Maß für die maximal<br />
mögliche Verdunstungshöhe bei gegebenen meteorologischen Bedingungen ist,<br />
wird damit die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> unterschätzt, so daß die Basisabflußspenden<br />
höher liegen müßten. Verringert man das Gebietsmittel des Nie<strong>der</strong>schlages<br />
um die mittlere Direktabflußhöhe und die aktuelle Evapotranspiration, die nach<br />
RENGER & WESSOLEK (1990) im Gebietsmittel ca. 500 mm/a beträgt, liegt das Ergebnis<br />
mit ca. 200 mm/a im Bereich <strong>der</strong> Berechnungsergebnisse nach <strong>der</strong> Mehrzahl <strong>der</strong><br />
Verfahren. Dies zeigt, daß im Untersuchungsgebiet eine Validierung <strong>der</strong> Verfahren<br />
anhand von Abflußmessungen nicht möglich ist. Im nächsten Schritt werden die Berechnungsergebnisse<br />
mit denen an<strong>der</strong>er Autoren verglichen.<br />
In Schleswig-Holstein wurden in <strong>der</strong> Vergangenheit zahlreiche unterschiedliche Ansätze<br />
zur <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> herangezogen. Die Ergebnisse<br />
streuen in einem weiten Bereich. Eine Zusammenstellung <strong>der</strong> Ergebnisse zeigt<br />
JOHANNSEN (1980). SCHEKORR (1972) ermittelte für zwei Gebiete, welche durch landwirtschaftliche<br />
Nutzung auf sandigem Substrat gekennzeichnet sind, 30 bzw. 46%<br />
Grundwasserneubildung vom Nie<strong>der</strong>schlag. Aus <strong>der</strong> Ableitung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
anhand <strong>der</strong> Anreicherung des Chloridgehaltes berechnete SCHULZ
151<br />
(1972) eine Grundwasserneubildung von 35 – 41% des Nie<strong>der</strong>schlages. Diese Werte<br />
wurden für drei Testfel<strong>der</strong> mit land- als auch forstwirtschaftlicher Nutzung auf<br />
San<strong>der</strong>flächen ermittelt. PREUSS (1977) errechnete für verschiedene Einzugsgebiete,<br />
die Teile des Untersuchungsraumes Südost-Holstein sind, <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
von < 10 % des Nie<strong>der</strong>schlages. PETERSEN & KÖNIG (1966) ermittelten aus<br />
Verdunstungs- und Abflußwerten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n für ganz Schleswig–<br />
Holstein von 10 – 15% des Nie<strong>der</strong>schlages. Die im Rahmen dieser Arbeit berechneten<br />
Flächendifferenzierten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n liegen im Gebietsmittel<br />
zwischen ca. 170 mm/a und 280 mm/a (ca. 20 bis 35 % des Nie<strong>der</strong>schlages).<br />
Unabhängig von den unterschiedlichen Beobachtungszeiträumen deutet die Bandbreite<br />
<strong>der</strong> Ergebnisse an, daß bei <strong>der</strong> Bestimmung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
die Wahl <strong>der</strong> Methode zu ihrer Ableitung einen großen Einfluß auf die Höhe des<br />
Ergebnisses hat. Bei <strong>der</strong> Auswahl eines Verfahrens besteht die Problematik darin,<br />
daß es in einem komplexen hydrogeologischen System schwierig ist, die Randbedingungen<br />
zu erfassen, die bestimmte Methoden in ihrer Anwendbarkeit ausschließen.<br />
Im folgenden werden die in dieser Arbeit angewendeten Verfahren hinsichtlich<br />
ihrer Eignung kritisch betrachtet.<br />
Die Eingangsdaten <strong>der</strong> verschiedenen Verfahren bestehen aus Informationen zum<br />
Klima, Abfluß, Morphologie, Landnutzung und Substrat. Hierbei fließen die Datenebenen<br />
in unterschiedlicher Differenzierung ein. Die Auffächerung <strong>der</strong> Eingangsdaten<br />
<strong>der</strong> Verfahren nimmt in folgen<strong>der</strong> Reihenfolge zu:<br />
Klima: S & W = D & J = J & L = P < R & W = B = VEKOS<br />
Landnutzung: D & J = J & L = B < S & W < R & W = P < VEKOS<br />
Substrat: S & W < J & L < P < D & J < R & W = B = VEKOS<br />
Direktabfluß: D & J < S & W < B < J & L<br />
mit: R & W = RENGER & WESSOLEK (1990), P = PROKSCH (1990); B = Bagrov/Glugla (in GRUNSKE,<br />
1975) mit Berücksichtigung des Direktabflusses, S & W = SCHROEDER & WYRWICH (1990),<br />
J & L = JOSOPAIT & LILLICH (1975); D & J = DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
Als Klimadaten dienen korrigierte und unkorrigierte Nie<strong>der</strong>schlagsdatenreihen und<br />
Daten zur potentiellen Evapotranspiration. Die Problematik <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsmessung<br />
wurde bereits in Kapitel 2 diskutiert. Die Nie<strong>der</strong>schlagsdaten sind bezüglich<br />
ihrer zeitlichen Auflösung und ihres Beobachtungszeitraumes ausreichend. Die<br />
regionale Verteilung <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhen ist durch die Daten beschrieben.<br />
Lokale Variabilitäten werden nicht erfaßt (SCHILLING & HARMS, 1983). Die Datensätze<br />
zur potentiellen Evapotranspiration umfassen Berechnungen nach HAUDE (1954) und<br />
TURC-IVANOV (in WENDLING, 1984). Aufgrund <strong>der</strong> geringen räumlichen Variabilität dieser<br />
Größen reicht eine niedrigere Stationsdichte zur Charakterisierung <strong>der</strong> regionalen<br />
Verteilung aus. Die potentielle Evapotranspiration nach HAUDE (1954) fließt als
152<br />
Eingangsgröße in das Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990) ein. Dabei zeigt<br />
sich, daß diese Größe einen geringen Einfluß hat. Eine Variation <strong>der</strong> potentiellen<br />
Evapotranspiration um 5 % führt zu einer Verän<strong>der</strong>ung des Ergebnisses von ca. 1 %<br />
bei Ackerflächen und ca. 2 bis 3 % bei Waldflächen. Beim Verfahren von<br />
Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975) geht die potentielle Evapotranspiration nach<br />
TURC-IVANOV (in WENDLING, 1984) ein. Dieses Verfahren reagiert gegenüber einer<br />
Variation dieser Größe wesentlich sensitiver (5 % Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Evapotranspirationshöhe<br />
bewirken bis zu 4 % Verän<strong>der</strong>ung des Ergebnisses bei Ackerflächen bzw.<br />
bis zu 9 % bei Waldflächen).<br />
Die Landnutzung wird aus digital vorliegenden ATKIS-Daten abgeleitet. Diese sind in<br />
<strong>der</strong> räumlichen Auflösung und im Informationsgehalt für die Fragestellung unnötig<br />
fein aufgelöst. Der Datensatz wird im Informationsgehalt generalisiert, um die Eingangsdatenebenen<br />
für die verschiedenen Verfahren zu bilden. Polygone mit einer<br />
Fläche kleiner als 2500 m 2 werden zur Vereinheitlichung des Arbeitsmaßstabes von<br />
1 : 25 000 dem Nachbarpolygon mit <strong>der</strong> längsten gemeinsamen Grenze zugeschlagen.<br />
Die dadurch entstehende Ungenauigkeit ist zu vernachlässigen. Zusammenfassend<br />
betrachtet ist <strong>der</strong> Einsatz <strong>der</strong> zur Verfügung gestellten ATKIS-Daten mit erheblichen<br />
Arbeitsaufwand und Rechenzeit verbunden. In einem angrenzendem Untersuchungsraum<br />
belegten MEYER et al. (1998), daß die Auswertung von LANDSAT-TM<br />
Daten mit geringerem Arbeitsaufwand gute Ergebnisse liefern.<br />
Da <strong>der</strong> Einfluß <strong>der</strong> Landnutzung auf die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> groß ist, sind<br />
Verfahren zu bevorzugen, die zwischen Acker- und Grünlandnutzung sowie den unterschiedlichen<br />
Waldtypen unterscheiden (vgl. Tabelle 52). Während eine Differenzierung<br />
sich bei Acker- und Grünlandnutzung auf Sanden nur geringfügig auf die<br />
Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> auswirken (< 15 mm/a), können die Unterschiede<br />
bei Lehmen in Abhängigkeit vom Verfahren über 60 mm/a betragen (vgl.<br />
Tabelle 52). Beson<strong>der</strong>s stark wirkt sich die Differenzierung bei dem Verfahren nach<br />
PROKSCH (1990) aus, bei dem die Differenz zwischen Acker bzw. Grünland auf Lehm<br />
ca. 130 mm/a beträgt. Ferner weicht das Verfahren von den an<strong>der</strong>en dadurch ab,<br />
daß die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n sich bei Grünlandnutzung gegenüber Ackernutzung<br />
erhöhen, während sich bei den an<strong>der</strong>en Verfahren verringern.
153<br />
Tabelle 52: Berechneten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n (Gwnr) für Acker und Grünland nach den<br />
Verfahren: R & W = RENGER & WESSOLEK (1990), P = PROKSCH (1990) und dem Programmpaket<br />
VEKOS (KLÄMT, 1988); berechnet für die Nie<strong>der</strong>schlagsstation Schwarzenbek<br />
Standort R & W<br />
Gwnr [mm/a]<br />
P<br />
Gwnr [mm/a]<br />
VEKOS<br />
Gwnr [mm/a]<br />
Acker auf Reinsand 361 373 323<br />
Grünland auf Reinsand 350 385 311<br />
Acker auf Sandlehm 292 220 306<br />
Grünland auf Sandlehm 230 353 280<br />
Bei den Verfahren, die verschiedene Waldtypen differenzieren, ergeben sich sehr<br />
unterschiedliche <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n (vgl. Tabelle 53). Die anhand des<br />
Programms VEKOS berechneten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n sind mit Werten<br />
zwischen 294 mm/a bei Laubwald auf Reinsand und 226 mm/a bei Nadelwald auf<br />
Sandlehm am höchsten. Die Verfahren nach PROKSCH (1990) und SCHROEDER &<br />
WYRWICH (1990) zeigen für Nadelwaldstandorte ähnlich hohe <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n,<br />
welche bei sandigem Substrat etwa 80 mm/a und bei Lehm etwa 140<br />
mm/a betragen. Im Vergleich zu diesen Verfahren sind die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
nach RENGER & WESSOLEK (1990) bei Nadelwald auf Sand mit 201 mm/a bzw.<br />
Nadelwald auf Sandlehm (150 mm/a) deutlich höher.<br />
Tabelle 53: Berechneten <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n (Gwnr) für Laub- und Nadelwald nach den<br />
Verfahren: R & W = RENGER & W ESSOLEK (1990), P = PROKSCH (1990); S & W =<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1990) und dem Programmpaket VEKOS (KLÄMT, 1988); berechnet<br />
für die Nie<strong>der</strong>schlagsstation Schwarzenbek<br />
Standort R & W<br />
P<br />
S & W<br />
VEKOS<br />
Gwnr [mm/a] Gwnr [mm/a] Gwnr [mm/a] Gwnr [mm/a]<br />
Laubwald auf Reinsand 231 294 265 294<br />
Nadelwald auf Reinsand 201 141 145 266<br />
Laubwald auf Sandlehm 186 234 205 265<br />
Nadelwald auf Sandlehm 156 81 85 226<br />
Bei Laubstandorten ist es umgekehrt, hier liefert das Verfahren nach RENGER &<br />
WESSOLEK (1990) niedrigere Werte. Grundsätzlich ist die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
unter Laubwald höher als bei Nadelwald. Die Differenz zwischen diesen beiden<br />
Nutzungen bei gleichem Substrat liegt bei RENGER & WESSOLEK (1990) UND VEKOS<br />
bei CA. 30 mm/a, bei SCHROEDER & WYRWICH bei ca. 120 mm/a und bei PROKSCH<br />
(1990) 150 mm/a. Die stark von einan<strong>der</strong> abweichenden Ergebnisse spiegeln die<br />
Problematik <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> in Forstbeständen<br />
wie<strong>der</strong>.<br />
In Forstbeständen wirken sich u.a. Interzeptionsverluste deutlich auf die Höhe <strong>der</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> aus. Die Höhe <strong>der</strong> Interzeptionsverdunstung ist ab-
154<br />
hängig von unterschiedlichen Vegetationsfaktoren. Dies sind u.a. Vegetationsart,<br />
Bestandsdichte, Bestandsalter, Vegetationsform (Kronenschluß, Aststellung etc.) und<br />
Durchwurzelungstiefe. Die Literaturangaben bezüglich <strong>der</strong> Höhe <strong>der</strong> Interzeptionsverdunstung<br />
von Waldbeständen weichen stark von einan<strong>der</strong> ab. So bestimmten<br />
BRECHTEL & PAVLOV (1977) bei Untersuchungen im Frankfurter Stadtwald in Abhängigkeit<br />
von Baumart und Bestand in <strong>der</strong> Vegetationszeit Interzeptionsverluste zwischen<br />
10 und 40 %. Bei Fichten mit ungeastetem Stangenholz bestimmte WEHE<br />
(1974) sogar Verluste von 72 % des Nie<strong>der</strong>schlages, wohingegen von SCHÖNMARK<br />
(1976) in einem Fichtenbestand während <strong>der</strong> Wintermonate 30 bis 40 % beobachtete.<br />
Die Quantifizierung <strong>der</strong> Interzeptionsverdunstung, welche sich im hohen Maße auf<br />
die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> auswirkt, ist problematisch, da für die<br />
Ableitung <strong>der</strong> bestimmenden Parameter (s. o.) Detailuntersuchungen im Bestand<br />
notwendig sind.<br />
Der Einfluß von versiegelten Flächen wurde im Rahmen dieser Arbeit anhand des<br />
Versiegelungsgrades abgeschätzt. Dabei werden drei Versiegelungsstufen unterschieden.<br />
Die <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> unter teilversiegelten Flächen ist im Untersuchungsgebiet<br />
ca. 20 % geringer. Der gewählte pauschale Ansatz begründet sich<br />
mit <strong>der</strong> Gebietsgröße und den zur Verfügung stehenden Daten. Er liefert Näherungswerte.<br />
Für Ballungsräume ist eine genauere Betrachtung sinnvoll, die Kanalisation,<br />
Versiegelungsmaterial und –alter berücksichtigt (WESSOLEK, 1992).<br />
Die Substrateigenschaften werden aus den geologischen Karten im Maßstab<br />
1 : 25 000 abgeleitet. Hierbei handelt es sich um Karten <strong>der</strong> königlichen preußischen<br />
Landesaufnahme, bei denen die Aufnahmekriterien nicht aus <strong>der</strong>en Erläuterungsbeiheften<br />
o<strong>der</strong> aus an<strong>der</strong>en Quellen, sicher abzuleiten sind. Die Aufnahme erfolgte nicht<br />
unter dem Gesichtspunkt <strong>der</strong> Eigenschaften eines Bodens bezüglich des Bodenwasserhaushaltes.<br />
Da keine an<strong>der</strong>en Quellen mit flächendeckenden Substratinformationen<br />
zur Verfügung stehen, müssen diese trotz <strong>der</strong> genannten Probleme aus den<br />
geologischen Karten abgeleitet werden. Bei einem Vergleich in einem kleinen Teilbereich<br />
(ca. 240 km 2 ) des Untersuchungsgebietes konnte nachgewiesen werden, daß<br />
es bedeutende Abweichungen zwischen bodenkundlichen und geologischen Karten<br />
gibt. Dies führt im Gebietsmittel zu keinen großen Unterschieden, da positive und<br />
negative Abweichungen <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> sich ausgleichen.<br />
Punktuell können jedoch sehr große Differenzen > 200 mm/a auftreten. Beson<strong>der</strong>s<br />
bei <strong>der</strong> Ausweisung von grundwasserbeeinflußten Flächen weichen bodenkundliche<br />
und geologische Aufnahme stark von einan<strong>der</strong> ab. Dies wirkt sich erheblich auf die<br />
Berechnung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> aus. Bei kleinräumigen Betrachtungen<br />
sollte dies berücksichtigt werden.<br />
Die Verfahren beruhen auf unterschiedlichen Klassifizierungen <strong>der</strong> Substrate. Es gibt<br />
die Einteilung nach Substrateigenschaften, wie die nutzbare Feldkapazität und die
Zuordnung zu Bodenartengruppen und Substrattypen. Die Sicherheit <strong>der</strong> verfahrensspezifischen<br />
Klassifizierung steigt von:<br />
nutzbare Feldkapazität < Bodenartengruppen < Substrattypen.<br />
155<br />
Am unsichersten ist die Ableitung <strong>der</strong> nutzbare Feldkapazität. Die Bestimmung <strong>der</strong><br />
nutzbare Feldkapazität richtet sich nach Bodenart, Lagerungsdichte und Humusgehalt.<br />
Die Höhe <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität unterscheidet sich bei Bodenarten mit<br />
höherem Feinkornanteil weniger stark, als bei Reinsanden. In dieser Bodenartengruppe<br />
reicht die Spanne <strong>der</strong> nutzbaren Feldkapazität von 8 bis 22 mm/dm (vgl.<br />
AGBODEN, 1994). Eine Differenzierung zwischen Feinsand, Mittelsand und Grobsand<br />
kann anhand <strong>der</strong> geologischen Karten selten erfolgen, so daß hier Mittelsand angenommen<br />
wird. Die Lagerungsdichte, die insbeson<strong>der</strong>e auf Ackerflächen (Auflockerung<br />
durch Pflügen bzw. Verdichtung durch Befahrung) sehr unterschiedlich ist<br />
(BORK, 1988), führt zu einer weiteren Unsicherheit bei <strong>der</strong> Ableitung <strong>der</strong> nutzbaren<br />
Feldkapazität. Die Verfahren, die die nutzbare Feldkapazität als Eingangsgröße verwenden,<br />
berücksichtigen zur Bestimmung <strong>der</strong> pflanzenverfügbaren Wassermenge<br />
zusätzlich die effektive Durchwurzelungstiefe und gegebenenfalls die kapillare Aufstiegsrate.<br />
Die effektive Wurzeltiefe fällt bei stark verdichteten Böden in <strong>der</strong> Regel<br />
um 1 bis 2 dm geringer aus. In Forstbeständen können die tatsächlichen Wurzeltiefen<br />
erheblich von den mittleren abweichen (vgl. DVWK, 1996; SCHREY, 1996). Es<br />
handelt sich um Fehlerquellen, die im Rahmen dieser Arbeit nicht berücksichtigt werden<br />
können. Um den Fehler möglichst klein zu halten, werden mittlere Werte herangezogen.<br />
Die Verfahren, die in ihrem Verfahrensgang das Substrat anhand von Bodenartengruppen<br />
bzw. Substrattypen klassifizieren ermöglichen eine sicherere Zuordnung <strong>der</strong><br />
geologischen Einheiten. Bei diesem Ansatz wird bei <strong>der</strong> Zusammenfassung stark<br />
generalisiert, so daß differenzierte Aussagen nicht möglich sind.<br />
Zur Abschätzung des Direktabflusses werden in einigen Verfahren Lösungsansätze<br />
geboten. Diese berücksichtigen auf unterschiedliche Weise die räumliche Heterogenität<br />
des Direktabflußgeschehens. Bei dem Vergleich <strong>der</strong> durch die Verfahren geschätzten<br />
Direktabflußspenden auf Einzugsgebietsebene und den Abflußauswertungen<br />
konnte keine gute Übereinstimmung festgestellt werden. Bei <strong>der</strong> Betrachtung <strong>der</strong><br />
Abbildung 72 a) fällt auf, daß bei dem Verfahren nach DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980)<br />
sich eine nicht signifikante Korrelation zwischen den geschätzten und den nach<br />
WUNDT (1958) ermittelten Direktabflußspenden ergibt. Der Verlauf <strong>der</strong> Ausgleichsgeraden<br />
weist auf einen negativen Zusammenhang zwischen den Direktabflußspenden<br />
hin. Dies weist darauf hin, daß dieses Verfahren das Direktabflußgeschehen im Untersuchungsgebiet<br />
nicht korrekt abbildet. Die beste Näherung zeigt das Verfahren<br />
nach JOSOPAIT & LILLICH (1975).
156<br />
a)<br />
Q direkt geschätzt [mm/a]<br />
100<br />
50<br />
S & W<br />
D & J<br />
J & L<br />
0<br />
0 50 100 150 200 250 300<br />
Q direkt nach Wundt [mm/a]<br />
Abbildung 72: Vergleich zwischen geschätzten und nach WUNDT (1958) abgeleiteten Direktabflußspenden.<br />
a) geschätzt nach den Verfahren S & W = SCHROEDER & WYRWICH (1990),<br />
J & L = JOSOPAIT & LILLICH (1975); D & J = DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980);b) geschätzt<br />
nach <strong>der</strong> multiplen Regression<br />
Im Gebietsmittel wird bei allen Verfahren die Höhe des Direktabflusses deutlich unterschätzt.<br />
Dies zeigt, daß <strong>der</strong> Prozeß <strong>der</strong> Abflußbildung durch die eingehenden Parameter<br />
nicht treffend beschrieben wird. Grundsätzlich wird bei den Verfahren von<br />
JOSOPAIT & LILLICH (1975) und DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) nicht auf den Zusammenhang<br />
zwischen Landnutzung und Direktabflußbildung eingegangen. Nach diesen<br />
Verfahren werden in Waldgebieten Direktabflußbildungen angesetzt, die jedoch in<br />
<strong>der</strong> Natur nur selten vorzufinden sind (MÜLLER-USING, 1996). Eine bessere Möglichkeit<br />
den Direktabfluß im Untersuchungsgebiet zu schätzen, bietet das Modell <strong>der</strong><br />
multiplen Regressionsanalyse (vgl. Abbildung 72 b). Das Modell beschränkt sich auf<br />
die Auswertung <strong>der</strong> Flächenanteile an Ackerland auf den Substrattypen Sand und<br />
Lehm. Das Modell liefert integrale Werte über eine Fläche von 5 * 5 km 2 . Es erlaubt<br />
keine Aussagen für kleinere Flächen. Die Ergebnisse des Modells sind über die Sensitivitätsindices<br />
des Nie<strong>der</strong>schlages eine sinnvolle Ergänzung für die Verfahren, die<br />
den Abfluß nicht berücksichtigen. Dabei wird eine höhere räumliche Auflösung erreicht,<br />
als bei <strong>der</strong> ausschließlichen Verwendung <strong>der</strong> Einzugsgebietsintegralwerte<br />
nach WUNDT (1958).<br />
Im Rahmen dieser Arbeit hat sich gezeigt, daß selbst in Gebieten mit nur geringer<br />
Reliefenergie Direktabfluß auftritt. Ein Teil <strong>der</strong> Verfahren wurde für ebene Standorte<br />
entwickelt unter <strong>der</strong> Annahme, daß sich auf diesen kein Direktabfluß bildet. Dies bedeutet,<br />
daß Verfahren, die den Direktabfluß auf ebenen Flächen nicht berücksichtigen,<br />
zwangsläufig zu hohe Berechnungsergebnisse für das Untersuchungsgebiet<br />
liefern. Des weiteren sind die Verfahren nur für die Bedingungen gültig, unter denen<br />
sie entwickelt wurden. Einzelne Berechnungsergebnisse machen dies deutlich. So<br />
sind unter gegebenen klimatischen Bedingungen negative <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n<br />
im langjährigen Mittel nicht zu erwarten. Bei dem Verfahren nach RENGER &<br />
WESSOLEK (1990) treten diese vor allem bei Nie<strong>der</strong>mooren und Hochmooren auf. Da<br />
Hochmoore definitionsgemäß nur vom Nie<strong>der</strong>schlagswasser gespeist werden, also<br />
kein Grundwasseranschluß vorhanden ist, kann es hier in keinem Falle zu negativen<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n kommen. Nie<strong>der</strong>moore sind im Gegensatz zu Hochmooren<br />
in ihrem Wasserhaushalt direkt mit dem angrenzenden Mineralböden über<br />
b)<br />
Q direkt aus multipl. Regression [mm/a]<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
Multipl. -<br />
Regr.<br />
0 50 100 150 200 250 300<br />
Q direkt nach Wundt [mm/a]
157<br />
das Grundwasser verzahnt. In <strong>der</strong> Regel finden sich auf solchen Standorten im norddeutschen<br />
Raum Evapotranspirationsraten von > 600 mm/a (BLANKENBURG, 1996;<br />
EGGELSMANN, 1973). Die Aufstellung von Wasserbilanzen für Nie<strong>der</strong>moore wird<br />
durch zuströmendes Oberflächen,- Vorfluter- o<strong>der</strong> Grundwasser erschwert und kann<br />
nur anhand detaillierter Untersuchungen erfolgen. Es ist davon auszugehen, daß das<br />
Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990) nicht für die Berechnungen <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
in Mooren entwickelt wurde. Für grundwasserbeeinflußte Böden<br />
berechnen SCHROEDER & WYRWICH (1990) ebenfalls negative <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n.<br />
Dies ist eine Folge <strong>der</strong> pauschalen Ansätze, die für die untersuchten<br />
Gebiete in Nordrhein-Westfalen gelten, jedoch nicht auf den Untersuchungsraum zu<br />
übertragen sind. Beim Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975), das auf den Lysimetergleichungen<br />
von DYCK & CHARDABELLAS (1963) aufbaut, wird <strong>der</strong> Substrateinfluß<br />
gegenüber <strong>der</strong> Landnutzung überbewertet.<br />
Von allen Verfahren erscheint das von RENGER & WESSOLEK (1990) am besten die<br />
Faktoren zu berücksichtigen, die die Grundwasserneubildung beeinflussen. Die<br />
Landnutzungsformen werden in Acker, Grünland, Nadelwald und Laubwald unterteilt.<br />
Es werden keine Bodengruppen gebildet, son<strong>der</strong>n die Beschreibung <strong>der</strong> Standorteigenschaften<br />
erfolgt durch die nutzbare Feldkapazität, die Durchwurzelungstiefe und<br />
dem kapillaren Aufstieg. Das Verfahren berücksichtigt jahreszeitliche Einflüsse indem<br />
es zwischen Sommer- und Winternie<strong>der</strong>schlägen differenziert. Neben dem Nie<strong>der</strong>schlag<br />
fließt zusätzlich die potentielle Evapotranspiration nach HAUDE (1954) ein. Für<br />
die Anwendung dieses Verfahrens sollte <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagswert entwe<strong>der</strong> vor <strong>der</strong><br />
Berechnung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> um den Direktabfluß verringert werden,<br />
o<strong>der</strong> aber nach <strong>der</strong> Berechnung über die Sensitivtätsindices einfließen. Für gröbere<br />
Abschätzungen eignet sich das Verfahren nach SCHROEDER & WYRWICH (1990).<br />
Die im Untersuchungsgebiet durchgeführten Arbeiten übertreffen, hinsichtlich <strong>der</strong><br />
Größe des Betrachtungsraumes und <strong>der</strong> erreichten räumlichen Auflösung, bisherige<br />
Untersuchungen. Dies war nur durch den Einsatz eines Geoinformationssystems<br />
möglich. Im Rahmen <strong>der</strong> Arbeit erfor<strong>der</strong>te dies einen hohen zeitlichen Aufwand zur<br />
Erstellung <strong>der</strong> bis dahin nicht vorhandenen digitalen Datengrundlage. Die erstellte<br />
Datengrundlage für die <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> ist darüber hinaus<br />
für weitere Fragestellungen wie z.B. die Erstellung von Grundwassergefährdungskarten,<br />
Einbindung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>n in Grundwassermodellen,<br />
Ausweisung von Trinkwasserschutzgebieten und Umweltverträglichkeitsprüfungen<br />
zu nutzen. Bereits bei <strong>der</strong> Anlage <strong>der</strong> Datenbasis ist zu berücksichtigen, daß<br />
auch für weiterführende Untersuchungen eine flexible Nutzung <strong>der</strong> Eingangsdaten,<br />
<strong>der</strong> abgeleiteten Daten und <strong>der</strong> Berechnungsergebnisse möglich ist.
158
8 Zusammenfassung<br />
159<br />
Im Rahmen des Untersuchungsprogramms „<strong>Ermittlung</strong> des Grundwasserdargebotes<br />
im Planungsraum Südost-Holstein“ des Landesamtes für Natur und Umwelt des<br />
Landes Schleswig-Holstein (LANU) werden von den Bearbeitern detaillierte Wasserhaushaltsuntersuchungen<br />
durchgeführt. Ziel des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens<br />
ist die <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong>.<br />
Die Berechnungen erfolgten anhand verschiedener Methoden, die die <strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong><br />
<strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im langjährigen Mittel erlauben.<br />
Die im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein durchgeführten Arbeiten übertreffen<br />
hinsichtlich <strong>der</strong> Größe des Betrachtungsraumes, <strong>der</strong> erreichten räumlichen Auflösung<br />
und des Verfahrensvergleiches bisherige Untersuchungen.<br />
Das Untersuchungsgebiet liegt im Norddeutschen Tiefland. Die oberflächlich anstehenden<br />
Gesteine werden aus quartären Ablagerungen gebildet. Als typische Lockergesteine<br />
finden sich Geschiebemergel und Sande. Das Gebiet ist durch agrarwirtschaftliche<br />
Nutzung geprägt (Ackerflächen ca. 54 % <strong>der</strong> Gesamtfläche, Grünland ca.<br />
14 %). Untergeordnet findet auch forstliche Nutzung statt (21 %). Das Klima ist gemäßigt<br />
feucht-ozeanisch. Die Jahresmitteltemperatur liegt bei 8,3 °C, <strong>der</strong> mittlere<br />
unkorrigierte Jahresnie<strong>der</strong>schlag beträgt 763 mm/a (durchschnittliche Werte für<br />
Schleswig-Holstein. Die Jahreswerte <strong>der</strong> klimatischen Wasserbilanz sind, außer in<br />
extremen Trockenjahren, positiv. Die Gesamtabflußspende beträgt im Mittel ca. 250<br />
mm/a, wobei ungefähr die Hälfte vom Direktabfluß gebildet wird.<br />
Vor <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> werden<br />
eingehende Literaturstudien durchgeführt und ausgewertet. Hierbei werden die<br />
Verfahren anhand ihres Betrachtungsschwerpunktes klassifiziert (Sickerraum,<br />
Grundwasserraum, Gerinneabfluß). Die Auswahl <strong>der</strong> Berechnungsmethoden steht im<br />
engen Zusammenhang mit den klimatologischen, morphologischen und geologischen<br />
Bedingungen des Untersuchungsraum Südost-Holstein. Folgende Verfahren<br />
finden im Rahmen dieser Arbeit Anwendung: Bagrov/Glugla (in GRUNSKE, 1975),<br />
JOSOPAIT & LILLICH (1975), DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980), PROKSCH (1990), RENGER &<br />
WESSOLEK (1990), SCHROEDER & WYRWICH (1990).<br />
Die Auswahl <strong>der</strong> Verfahren richtet sich nach den verfügbar zu machenden Daten, die<br />
gesichtet, überprüft und bearbeitet werden. Die Verfahren unterscheiden sich aufgrund<br />
ihrer Eingangsparameter und des Verfahrensganges, hier insbeson<strong>der</strong>e <strong>der</strong><br />
unterschiedlichen Klassifizierung von Landnutzung und Böden. In <strong>der</strong> nachfolgenden<br />
Tabelle sind die Verfahren einan<strong>der</strong> gegenübergestellt.
160<br />
Tabelle zu den Eingangsparametern <strong>der</strong> gewählten Verfahren; + = berücksichtigt, u = unkorrigierter<br />
Nie<strong>der</strong>schlag, k = korrigierter Nie<strong>der</strong>schlag, T = Turc/Ivanov; H = Haude, nFK = nutzbare<br />
Feldkapazität<br />
Verfahren<br />
Klima Boden und Pflanze Hydrologie<br />
Nie<strong>der</strong>schlag<br />
PROKSCH (1990) u ✙ ✙ ✙ ✙<br />
RENGER & WESSOLEK (1990) u H ✙ ✙ ✙ ✙<br />
BAGROV & GLUGLA (in GRUNSKE, 1975);<br />
ohne Berücksichtigung des Oberflächenabflusses<br />
potentielle Evapotranspiration<br />
nFK<br />
Bodengruppen, Bodenart<br />
Landnutzung<br />
Versiegelung<br />
Relief, Reliefenergie<br />
Grundwasserflurabstand<br />
k T ✙ ✙ ✙ ✙<br />
VEKOS (KLÄMT, 1988) k ✙ ✙ ✙ ✙<br />
BAGROV & GLUGLA (in GRUNSKE, 1975);<br />
mit Berücksichtigung des Oberflächenabflusses<br />
Oberflächenabfluß<br />
k T ✙ ✙ ✙ ✙ ✙ ✙<br />
JOSOPAIT & LILLICH (1975) u ✙ ✙ ✙ ✙ ✙ ✙<br />
DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) u ✙ ✙ ✙ ✙ ✙ ✙<br />
SCHROEDER & WYRWICH (1990) u ✙ ✙ ✙ ✙ ✙ ✙<br />
Aufgrund <strong>der</strong> Größe des Untersuchungsgebietes (1290 km 2 ), <strong>der</strong> Vielzahl <strong>der</strong> Datenebenen<br />
und dem angestrebten Arbeitsmaßstab von 1 : 25 000 ist <strong>der</strong> Einsatz eines<br />
Geoinformationssystems (z.B. Arc/Info) erfor<strong>der</strong>lich. Digital bereitgestellte Datensätze<br />
werden in ein einheitliches Datenbankformat überführt. Analog vorliegende Karten<br />
werden digitalisiert und anschließend in die Datenbank integriert. Durch den Einsatz<br />
eines Geoinformationssystems wird ein Höchstmaß an Flexibilität bei <strong>der</strong> Datenverwaltung<br />
und –bearbeitung gewährleistet. Die Eingangsdatensätze lassen sich<br />
folgenden Datentypen zuordnen:<br />
räumlich variable Eingangsdaten<br />
räumlich zeitlich variable Eingangsdaten<br />
Die räumlich variablen Eingangsdaten werden gebildet aus den Datensätzen zur<br />
Landnutzung (ATKIS-Daten), Morphologie (DGM50–Daten) sowie geologischen<br />
Kartenblättern für das Gesamtgebiet. Für ein Teilgebiet (214 km 2 ) liegen zusätzlich<br />
bodenkundliche Karten vor. Die zeitlich räumlich variablen Eingangsdaten bestehen<br />
aus korrigierten und unkorrigierten Nie<strong>der</strong>schlagswerten und Datensätzen zur potentiellen<br />
Evapotranspiration nach Turc-Ivanov bzw. Haude (Zeitreihe 1961-1990) sowie<br />
Abflußdaten von 16 gewässerkundlichen Pegelanlagen mit unterschiedlich langen<br />
Beobachtungszeiträumen.
161<br />
Anhand <strong>der</strong> ATKIS-Daten werden folgende Arten <strong>der</strong> Landnutzung unterschieden:<br />
Acker (54 %), Grünland (14 %), Laubwald (5 %), Nadelwald (4 %), Mischwald (12<br />
%), Moor (0,3 %) und Gewässer (0,6 %). Des weiteren werden versiegelte Flächen<br />
(10 %) bezüglich ihres Versiegelungsgrades in Anlehnung an SCHOSS (1977) in drei<br />
Gruppen unterglie<strong>der</strong>t.<br />
Die Auswertung <strong>der</strong> geologischen und bodenkundlichen Karten beinhaltet die Ableitung<br />
von Bodenartengruppe, Substrattyp, nutzbarer Feldkapazität und Flurabstand.<br />
In dem Teiluntersuchungsgebiet werden beide Substrattypenauswertungen einan<strong>der</strong><br />
gegenübergestellt. Es zeigte sich, daß nur 45 % <strong>der</strong> Fläche gleich klassifiziert werden.<br />
Bei nicht übereinstimmenden Flächen weisen die bodenkundlichen Karten eher<br />
lehmige Substrate und die geologische Aufnahme sandige Substrate auf. Im<br />
Gesamtgebiet werden anhand <strong>der</strong> geologischen Karten 55 % <strong>der</strong> Fläche als Lehmböden,<br />
32 % <strong>der</strong> Fläche als Sandböden und 13 % <strong>der</strong> Flächen als semiterrestrische<br />
Böden klassifiziert (d.h. Böden mit Grundwasserbeeinflussung).<br />
Für das Untersuchungsgebiet wird aus den Datensätzen des DGM50 ein digitales<br />
Geländemodell erstellt. Dieses Geländemodell wird für die Ableitung <strong>der</strong> Reliefparameter<br />
Hangneigung und Reliefenergie eingesetzt, welche für die Charakterisierung<br />
des Direktabflusses bei einigen Verfahren erfor<strong>der</strong>lich ist. Ferner wird das Geländemodell<br />
für die Ableitung des Gewässernetzes und <strong>der</strong> oberirdischen Einzugsgebiete<br />
in Arc/Info getestet. Es zeigt sich, daß bei <strong>der</strong> vorliegenden Auflösung des<br />
DGM50 Raster (50 * 50 m 2 ) die Auswertungsergebnisse stark fehlerbehaftet sind.<br />
Aus diesem Grunde wird das Gewässernetz anhand <strong>der</strong> ATKIS-Daten konstruiert<br />
und die oberirdischen Einzugsgebiete aus vorliegendem Kartenmaterial digitalisiert.<br />
In Abhängigkeit vom gewählten Verfahren zur Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> werden entwe<strong>der</strong> korrigierte o<strong>der</strong> unkorrigierte Nie<strong>der</strong>schlagsdaten<br />
benötigt. Diese werden statistisch ausgewertet und die mittleren<br />
Jahres-, bzw. Halbjahressummen <strong>der</strong> Zeitreihe 1961-1990 berechnet. Die Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung<br />
im Untersuchungsgebiet ist durch eine Abnahme <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhen<br />
von West nach Ost mit 2,5 mm/km gekennzeichnet. Dieser Trend wird<br />
bei <strong>der</strong> Regionalisierung <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagsdaten mittels Kriging durch die Berechnung<br />
von Richtungsvariogrammen berücksichtigt. Das nach <strong>der</strong> Regionalisierung<br />
berechnete Gebietsmittel ergibt für die korrigierten Nie<strong>der</strong>schlagswerte einen Wert<br />
von 812 mm/a und bei den unkorrigierten 732 mm/a.<br />
Die klimatische Wasserbilanz, die aus <strong>der</strong> Differenz von korrigierter Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung<br />
zur potentiellen Evapotranspirationsverteilung berechnet wird, ergibt bei<br />
<strong>der</strong> Verwendung <strong>der</strong> potentiellen Gebietsverdunstung nach Turc/Ivanov Werte von<br />
228 mm/a im Vergleich zu 298 mm/a für Verdunstungswerte nach Haude.<br />
Die Auswertung <strong>der</strong> Abflußdaten erfolgt anhand des MoMNQ-Verfahrens nach<br />
WUNDT (1958). Diesem statistischen Verfahren wird die graphische Auswertung <strong>der</strong><br />
Abflußganglinien nach dem Au-Linien-Verfahren (NATERMANN, 1951) gegenüber-
162<br />
gestellt. Die anhand dieser beiden Verfahren ermittelten Basisabflüsse unterscheiden<br />
sich in den meisten Einzugsgebieten nur geringfügig, wobei die nach dem Au-Linien-<br />
Verfahren errechneten Basisabflüsse immer höhere Werte ergeben. Größere Differenzen<br />
zwischen den beiden Verfahren treten bei sehr niedrigen Basisabflüssen auf.<br />
Bei <strong>der</strong> Auswertung nach WUNDT (1958) ergeben sich im Gebietsmittel, <strong>der</strong> durch<br />
gewässerkundliche Pegelanlagen erfaßten Bereiche, für den Gesamtabfluß<br />
249 mm/a, für den Direktabfluß 123 mm/a und für den Basisabfluß 126 mm/a. Der<br />
Gesamtabfluß und die Abflußkomponenten zeigen in ihrer Höhe eine hohe räumliche<br />
Variabilität. Im Untersuchungsgebiet streut <strong>der</strong> Anteil des Direktabflusses am<br />
Gesamtabfluß zwischen ca. 30 % und 70 %.<br />
Die den 16 gewässerkundlichen Meßstellen zugeordneten Einzugsgebiete weisen<br />
hinsichtlich ihrer Geologie, Morphologie und Landnutzung unterschiedliche Ausprägungen<br />
vor. Die Flächenanteile <strong>der</strong> genannten Gebietskenngrößen werden<br />
bestimmt, um ihren Einfluß auf das Abflußgeschehen zu ermitteln. Die Höhe <strong>der</strong><br />
Direktabflüsse zeigt eine signifikante Abhängigkeit vom Substrattyp. Hohe Flächenanteile<br />
an Lehmböden korrelieren mit höheren Direktabflüssen, während Sandböden<br />
einen geringeren Direktabfluß bewirken. Die Höhe des Basisabflusses korreliert mit<br />
keiner <strong>der</strong> aufgenommenen Gebietsgrößen. Anhand einer vorwärtsgerichteten multiplen<br />
Regression werden Modelle berechnet, die den Einfluß von Landnutzung bzw.<br />
Bodentyp auf die Höhe des Direktabflusses quantifizieren. Der Bodentyp beeinflußt<br />
die Höhe des Direktabflusses wesentlich stärker als die Landnutzung. Ein<br />
Modell, welches die Kombinationen Acker auf Lehm bzw. Acker auf Sand berücksichtigt,<br />
gibt am besten die Verteilung <strong>der</strong> Direktabflußmengen im Untersuchungsgebiet<br />
wie<strong>der</strong>. Das Modell wird durch folgende Regressionsgleichung beschrieben:<br />
Qdirekt = (1,27*%“Acker auf Lehm“) + (-3,35*%“Acker auf Sand“) + 117<br />
Anhand dieses Modell wird eine Regionalisierung des Direktabflusses in einem Raster<br />
von 5 * 5 km 2 vorgenommen. Die durch die Regionalisierung ermittelten Direktabflußmengen<br />
<strong>der</strong> Einzugsgebiete werden mit denen des MoMNQ-Verfahrens verglichen.<br />
Grundsätzlich werden die Direktabflußmengen durch das Modell gut geschätzt.<br />
Für alle verwendeten Verfahren wird <strong>der</strong> Verfahrensgang sowie dessen Umsetzung<br />
in Arc/Info detailliert beschrieben. Die Ergebnisse jedes Verfahrens werden einzeln<br />
präsentiert. Es schließt sich ein Methodenvergleich an. Anhand <strong>der</strong> berechneten Gebietsmittel<br />
(Gbm) <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> werden die<br />
Verfahren in drei Gruppen zusammengefaßt:<br />
Verfahren mit niedrigem Gebietsmittel :DÖRHÖFER & JOSOPAIT (Gbm168 mm/a).<br />
Verfahren mit mittlerem Gebietsmittel : JOSOPAIT & LILLICH (Gbm 202 mm/a),<br />
SCHROEDER & WYRWICH (Gbm 204 mm/a), BAGROV/GLUGLA mit Berücksichtigung<br />
des Direktabflusses (Gbm 218 mm/a), RENGER & WESSOLEK (Gbm 224 mm/a).
163<br />
Verfahren mit hohem Gebietsmittel: PROKSCH (Gbm 253 mm/a), VEKOS (Gbm 276<br />
mm/a), BAGROV/GLUGLA ohne Berücksichtigung des Direktabflusses (Gbm 288<br />
mm/a).<br />
Des weiteren wird <strong>der</strong> Einfluß verschiedener Standortfaktoren auf die Höhe <strong>der</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> betrachtet. Allen Verfahren ist gemein, daß die Nie<strong>der</strong>schlagshöhe<br />
die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> maßgeblich bestimmt.<br />
grundwasserbeeinflusste Böden wirken sich bei allen Verfahren reduzierend auf die<br />
Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> aus. Ein Teil <strong>der</strong> Verfahren mißt <strong>der</strong> Landnutzung<br />
eine größere Bedeutung bei, während bei an<strong>der</strong>en Verfahren das Substrat<br />
ausschlaggeben<strong>der</strong> für die Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> ist. Um die Än<strong>der</strong>ungen<br />
<strong>der</strong> Berechnungsergebnisse aufgrund von Parametervariationen zu quantifizieren,<br />
werden Sensitivitätsanalysen durchgeführt. Zum einen wird die Auswirkung<br />
eines Substratwechsels von Reinsand zu Sandlehm betrachtet, zum an<strong>der</strong>en <strong>der</strong><br />
Einfluß <strong>der</strong> Vegetation und <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe.<br />
Das Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) reagiert am sensitivsten auf einen<br />
Substratwechsel (Sensitivitätsindex für Ackernutzung: -0,37; Sensitivitätsindex für<br />
forstwirtschaftliche Nutzung: -0,34), während die Berechnung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
mit dem Programm VEKOS (in KLÄMT, 1988) am geringsten auf einen<br />
Wechsel des Substrates reagiert (Sensitivitätsindex für Ackernutzung: -0,06 und<br />
Sensitivitätsindex für forstwirtschaftliche Nutzung: -0,14). Bei einer Variation <strong>der</strong><br />
Landnutzung (Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> prozentualen Flächenanteile von forstwirtschaftlicher<br />
bzw. landwirtschaftlicher Nutzung) wirkt sich diese beim Verfahren nach PROKSCH<br />
(1990) am stärksten (Sensitivitätsindex 0,34) und bei <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
mit dem Programm VEKOS am geringsten aus (Sensitivitätsindex<br />
0,09). Die berechneten Sensitivitätsindices für die Variation <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlagshöhe<br />
liegen in Abhängigkeit von Verfahren, Landnutzung und Bodentyp zwischen<br />
1,43 und 5,13.<br />
Abschließend werden die Ergebnisse <strong>der</strong> Berechnung <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong><br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> diskutiert und die eingehenden Daten kritisch beurteilt.<br />
Die ausgewählten Verfahren werden vergleichend hinsichtlich <strong>der</strong> Ergebnisse,<br />
Fehlerquellen und Arbeitsaufwand bewertet. Von allen Verfahren erscheint das Verfahren<br />
von RENGER & WESSOLEK (1990) am Besten die Prozesse, die sich auf die<br />
Höhe <strong>der</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> auswirken, zu beschreiben. Nachteil dieses<br />
Verfahrens ist, daß es nur in Gebieten eingesetzt werden kann, in dem kein Direktabfluß<br />
auftritt, da dieser im Verfahrensgang unberücksichtigt bleibt. Bei Kenntnis <strong>der</strong><br />
Direktabflußverteilung sollte aus diesem Grunde die Nie<strong>der</strong>schlagshöhe um die<br />
jeweilige Direktabflußhöhe vermin<strong>der</strong>t werden, bevor die weiteren Berechnungen<br />
durchgeführt werden.
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179
180<br />
Lage des Untersuchungsgebietes Südost- Holstein<br />
mit Verteilung <strong>der</strong> Nie<strong>der</strong>schlags- und Klimastationen<br />
N<br />
Henstedt-<br />
Ulzburg<br />
HH-<br />
Fuhlsbüttel<br />
Alster<br />
Bornhöved<br />
Wahlstedt Bad<br />
Segeberg<br />
Ahrensburg -<br />
Wulfsdorf<br />
HH-<br />
Reitbrock<br />
Elbe<br />
Bargteheide<br />
Reinbek<br />
Beste<br />
Söhren<br />
Südost-<br />
Trittau<br />
Geesthacht<br />
Plön<br />
Plön, M-P-I<br />
Bad Oldesloe<br />
Bille<br />
Km<br />
Seedorf<br />
Trave<br />
Steinhorst<br />
Lübeck<br />
Holstein<br />
Schwarzenbek<br />
Linau<br />
Nusse<br />
Steinau<br />
Lütau<br />
Eutin<br />
Trave<br />
Lauenburg<br />
Elbe-Lübeck-Kanal<br />
Elbe<br />
Lübeck<br />
Mölln<br />
Schönwalde<br />
Ratzeburg<br />
Langenlehsten<br />
Boizenburg<br />
Anhang 1.1<br />
Greven<br />
- Granzin<br />
Legende<br />
Ostsee<br />
Travemünde<br />
Kittlitz<br />
Gromitz<br />
Schönberg<br />
Gebietsgrenzen<br />
Nie<strong>der</strong>schlag<br />
Etpot nach Haude<br />
Etpot nach Turc/Ivanov<br />
Etreal
Boizenburg<br />
Lauenburg<br />
4370000 4380000 4390000 4400000 44100 0 4420000 4430000<br />
181<br />
Anhang 4.1.3<br />
Mittlere Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung (korrigiert) <strong>der</strong> Zeitreihe 1961 - 1990<br />
Interpolationsverfahren : Punktkriging<br />
875mm/a<br />
850mm/a<br />
825mm/a<br />
800mm/a<br />
775mm/a<br />
750mm/a<br />
725mm/a<br />
700mm/a<br />
Bornhöved<br />
Henstedt-Ulzburg<br />
Hamburg<br />
Bargteheide<br />
Reinbek<br />
Bad Oldesloe<br />
Geesthacht<br />
Plön<br />
Seedorf<br />
Söhren<br />
Steinhorst<br />
Trittau<br />
Schwarzenbek<br />
Eutin<br />
Nusse<br />
Lütau<br />
Schönwalde<br />
Lübeck<br />
Ratzeburg<br />
Langenlehsten<br />
Greven-Granzin<br />
0km 10km 20km 30km 40km<br />
Grömitz<br />
Travemünde<br />
Schönberg<br />
Kittlitz<br />
6000000<br />
5990000<br />
5980000<br />
5970000<br />
5960000<br />
5950000<br />
5940000<br />
5930000<br />
5920000
182<br />
HOCHWERT<br />
6000000<br />
5990000<br />
5980000<br />
5970000<br />
5960000<br />
5950000<br />
5940000<br />
Mittlere Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung &<br />
Schätzstandardabweichung 1961/90; (Nkor)<br />
Interpolationsverfahren: Punktkriging<br />
Bornhöved<br />
Henstedt-Ulzburg<br />
Hamburg<br />
Bargteheide<br />
Plön<br />
Seedorf<br />
Söhren<br />
Bad Oldesloe<br />
Steinhorst<br />
Trittau<br />
Eutin<br />
Nusse<br />
5930000<br />
Reinbek<br />
Schwarzenbek Langenlehsten<br />
Greven-Granzin<br />
5920000<br />
Geesthacht Lütau<br />
Boizenburg<br />
Lauenburg<br />
4370000 4380000 4390000 4400000 4410000 4420000 4430000<br />
RECHTSWERT<br />
Schönwalde<br />
Lübeck<br />
Ratzeburg<br />
0km 10km 20km 30km 40km<br />
Grömitz<br />
Travemünde<br />
Schönberg<br />
Kittlitz<br />
Anhang 4.1.4<br />
35mm/a<br />
30mm/a<br />
25mm/a
Lauenburg<br />
4370000 43800 004390000 4400000 4410000 4420000 4430000<br />
183<br />
Anhang 4.1.5<br />
Mittlere Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung (unkorrigiert) <strong>der</strong> Zeitreihe 1961 - 1990<br />
Interpolationsverfahren : Punktkriging<br />
800mm/a<br />
775mm/a<br />
750mm/a<br />
725mm/a<br />
700mm/a<br />
675mm/a<br />
Bornhöved<br />
Henstedt-Ulzburg<br />
Bargteheide<br />
Reinbek<br />
Bad Oldesloe<br />
Geesthacht<br />
Plön<br />
Seedorf<br />
Söhren<br />
Steinhorst<br />
Trittau<br />
Schwarzenbek<br />
Eutin<br />
Nusse<br />
Lütau<br />
Schönwalde<br />
Lübeck<br />
Ratzeburg<br />
Langenlehsten<br />
0km 10km 20km 30km 40km<br />
Grömitz<br />
Travemünde<br />
Kittlitz<br />
6000000<br />
5990000<br />
5980000<br />
5970000<br />
5960000<br />
5950000<br />
5940000<br />
5930000<br />
5920000
184<br />
HOCHWERT<br />
6000000<br />
5990000<br />
5980000<br />
5970000<br />
5960000<br />
5950000<br />
5940000<br />
5930000<br />
Mittlere Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung 1961/90<br />
Sommerhalbjahr; (Nunkor)<br />
Interpolationsverfahren: Punktkriging<br />
Bornhöved<br />
Henstedt-Ulzburg<br />
Bargteheide<br />
Reinbek<br />
Plön<br />
Seedorf<br />
Söhren<br />
Bad Oldesloe<br />
Steinhorst<br />
Trittau<br />
Schwarzenbek<br />
Eutin<br />
Nusse<br />
5920000<br />
Geesthacht Lütau<br />
Lauenburg<br />
4370000 4380000 4390000 4400000 4410000 4420000 4430000<br />
RECHTSWERT<br />
Schönwalde<br />
Lübeck<br />
Ratzeburg<br />
Langenlehsten<br />
0km 10km 20km 30km 40km<br />
Grömitz<br />
Travemünde<br />
Kittlitz<br />
Anhang 4.1.6<br />
400mm/a<br />
375mm/a<br />
350mm/a<br />
325mm/a
HOCHWERT<br />
6000000<br />
5990000<br />
5980000<br />
5970000<br />
5960000<br />
5950000<br />
5940000<br />
5930000<br />
Mittlere Nie<strong>der</strong>schlagsverteilung<br />
Winterhalbjahr 1961/90; (Nunkor)<br />
Interpolationsverfahren: Punktkriging<br />
Bornhöved<br />
Henstedt-Ulzburg<br />
Bargteheide<br />
Reinbek<br />
Plön<br />
Seedorf<br />
Söhren<br />
Bad Oldesloe<br />
Steinhorst<br />
Trittau<br />
Schwarzenbek<br />
Eutin<br />
Nusse<br />
5920000<br />
Geesthacht Lütau<br />
Lauenburg<br />
4370000 4380000 4390000 4400000 4410000 4420000 4430000<br />
RECHTSWERT<br />
Schönwalde<br />
Lübeck<br />
Ratzeburg<br />
Langenlehsten<br />
0km 10km 20km 30km 40km<br />
Grömitz<br />
Travemünde<br />
Kittlitz<br />
185<br />
Anhang 4.1.7<br />
375.0mm/a<br />
350.0mm/a<br />
325.0mm/a<br />
300.0mm/a
186<br />
Mittlere potentielle Evapotranspiration 1961/90<br />
nach Turc/Ivanov<br />
Hamburg-R.<br />
Bad Segeberg<br />
570 mm/a<br />
Ahrensburg<br />
603 mm/a<br />
577 mm/a<br />
Eutin<br />
582 mm/a<br />
586 mm/a<br />
603 mm/a<br />
586 mm/a<br />
593 mm/a<br />
Travemünde<br />
Lübeck<br />
Mölln<br />
Boizenburg<br />
0km 10km 20km 30km 40km<br />
Anhang 4.1.9
Mittlere potentielle Evapotranspiration 1961/90<br />
nach Haude<br />
Wahlstedt<br />
495 mm/a<br />
Ahrensburg<br />
Hamburg<br />
507 mm/a<br />
513 mm/a<br />
459 mm/a<br />
533 mm/a<br />
515 mm/a<br />
Eutin<br />
Boizenburg<br />
411 mm/a<br />
Mölln<br />
Travemünde<br />
187<br />
Anhang 4.1.10
188<br />
Klassifizierung <strong>der</strong> ATKIS-Daten zur Erhebung <strong>der</strong> Landnutzung<br />
Arc/Info-Kennung Bezeichnung & ATKIS-Kennung<br />
veg-klasse =1 Acker<br />
objart = 4101 / Ackerland<br />
veg-klasse = 2 Grünland<br />
objart = 4102 / Grünland<br />
objart = 2201 / Sportanlage<br />
objart = 2202 / Freizeitanlage<br />
objart = 2213 / Friedhof<br />
objart = 2227 / Grünanlage<br />
objart = 2228 / Campingplatz<br />
objart = 4103 / Gartenland<br />
objart = 4104 / Heide<br />
objart = 4109 / Son<strong>der</strong>kultur<br />
veg-klasse = 3 Laubwald<br />
veg = 1000<br />
veg-klasse = 4 Nadelwald<br />
veg = 2000<br />
veg-klasse = 5 Mischwald<br />
veg = 3000<br />
veg-klasse = 6 Moor<br />
objart = 4106 / Sumpf<br />
objart = 4105 / Moor<br />
veg-klasse = 7 unbewachsen<br />
objart = 4120 / Vegetationslose Flaeche<br />
objart = 2121 / Bergbaubetrieb<br />
objart = 2301 / Tagebau Grube Steinbruch<br />
veg-klasse = 8 Gewässer<br />
objart = 3402 / Hafenbecken<br />
objart = 5101 / Fliessgewässer<br />
objart = 5102 / Kanal<br />
objart = 5112 / stehendes Gewässer<br />
objart = 5303 / Schleuse<br />
objart = 5111 / Meer<br />
veg-klasse = 10 nicht klassifiziert<br />
objart = 4199 / Flaeche z.Zt. unbestimmbar<br />
objart = 3103 / Platz (Rastplatz Parkplatz)<br />
objart = 3502 / Raststaette<br />
objart = 3101 / Strasse<br />
objart = 3102 / Weg<br />
objart = 2314 / Absetzbecken Rieselfeld Schlammteich<br />
veg-klasse = 91 starke bis voellige Versiegelung<br />
objart = 3514 / Bruecke Unterfuehrung Ueberfuehrung<br />
objart = 2122 / Abfalldeponie<br />
objart = 2135 / Abfallbeseitigungsanlage<br />
objart = 3301 / Flughafen<br />
veg-klasse = 92 mittlere Versiegelung<br />
objart = 2112 / Industrie- und Gewerbeflaeche<br />
objart = 2101 / Ortslage<br />
objart = 2114 / Flaeche bes. funkt. Praegung<br />
objart = 2113 / Flaeche gemischter Nutzung<br />
objart = 2126 / Kraftwerk<br />
objart = 3302 / Flugplatz Landeplatz<br />
veg-klasse = 93 leichte Versiegelung<br />
objart = 2111 / Wohnbauflaeche Ortslage<br />
objart = 2111 / Wohnbauflaeche ohne Ortslage<br />
objart = 3501 / Bahnhofsanlage<br />
objart = 2134 / Wasserwerk<br />
objart = 2127 / Umspannwerk<br />
objart = 2129 / Klaeranlage<br />
Anhang 4.4.1
Ammersbek<br />
Nor<strong>der</strong>Beste<br />
Bredenbek<br />
Glin<strong>der</strong><br />
Au<br />
se<br />
Freie und Hansestadt<br />
Hamburg<br />
Elbe<br />
Glin<strong>der</strong> Au<br />
Neritz<br />
Bunsbach<br />
Rehagen<br />
Au<br />
Hopfenbach<br />
Wand<br />
Wandse<br />
< 50 mm/a<br />
Quellental<br />
Bünningstedt<br />
50 - 100 mm/a<br />
100 - 150 mm/a<br />
Beste<br />
Corbek<br />
Sachsenwaldau<br />
Reinbek<br />
Sulsbek<br />
Bille<br />
Sch<br />
w<br />
arze<br />
Nie<strong>der</strong>sachsen<br />
0 5 10km<br />
Quellental<br />
2<br />
Mühlenbach<br />
Barnitz<br />
Fribek<br />
Au<br />
Aumühle<br />
Linau<br />
150 - 200 mm/a<br />
> 200 mm/a<br />
Bille<br />
Hamfelde<br />
Au<br />
Kühlenbach<br />
Schie be nitz<br />
Stein<br />
Lütau<br />
graben<br />
Trave<br />
Nusse<br />
au<br />
Duvenseeb ach<br />
Mühlenbek<br />
Linau<br />
Augraben<br />
Stegnitz<br />
Grienau<br />
Ziegelhof<br />
Steinau<br />
Lübeck - Kanal<br />
Elbe -<br />
Priesterbach<br />
Breitenfelde<br />
Pötrau<br />
189<br />
Anhang 4.8.1<br />
Witzeeze<br />
Mecklenburg-<br />
Vorpommern
190<br />
Ammersbek<br />
Nor<strong>der</strong>Beste<br />
Bredenbek<br />
Glin<strong>der</strong><br />
Au<br />
se<br />
Freie und Hansestadt<br />
Hamburg<br />
Elbe<br />
Glin<strong>der</strong> Au<br />
Neritz<br />
Bunsbach<br />
Rehagen<br />
Au<br />
Hopfenbach<br />
Wand<br />
Wandse<br />
< 50 mm/a<br />
Quellental<br />
Bünningstedt<br />
50 - 100 mm/a<br />
100 - 150 mm/a<br />
Beste<br />
Corbek<br />
Sachsenwaldau<br />
Reinbek<br />
Sulsbek<br />
Bille<br />
Sch<br />
w<br />
arze<br />
Nie<strong>der</strong>sachsen<br />
0 5 10km<br />
Quellental<br />
2<br />
Mühlenbach<br />
Barnitz<br />
Fribek<br />
Au<br />
Aumühle<br />
Linau<br />
150 - 200 mm/a<br />
> 200 mm/a<br />
Bille<br />
Hamfelde<br />
Au<br />
Kühlenbach<br />
Schie benitz<br />
Stein<br />
Lütau<br />
graben<br />
Trave<br />
Nusse<br />
au<br />
Duvenseeb ach<br />
Mühlenbek<br />
Linau<br />
Augraben<br />
Stegnitz<br />
Grienau<br />
Ziegelhof<br />
Steinau<br />
Priesterbach<br />
Breitenfelde<br />
Pötrau<br />
Anhang 4.8.2<br />
Lübeck - Kanal<br />
Elbe -<br />
Witzeeze<br />
Mecklenburg-<br />
Vorpommern
Korrelationstabelle (nach Pearson) <strong>der</strong> jährlichen und halbjährlichen<br />
Abflußkomponentenspenden mit den Gebietsparametern<br />
191<br />
Anhang 4.9.1<br />
Acker Grünland Wald Wohn TS TL SB RE<br />
Q_A_GES -0,215 0,125 -0,30 0,483 -0,309 0,319 -0,061 -0,034<br />
0,423 0,645 0,912 0,058 0,245 0,229 0,821 0,900<br />
Q_A_BAS -0,479 0,147 0,162 0,707** 0,125 -0,113 -0,091 0,197<br />
0,060 0,588 0,548 0,002 0,643 0,677 0,739 0,465<br />
Q_A_DIR 0,316 0,009 -0,293 -0,169 -0,739** 0,739** 0,022 -0,350<br />
0,233 0,973 0,272 0,533 0,001 0,001 0,935 0,184<br />
Q_WIN_GES -0,032 0,095 -0,141 0,291 -0,502* 0,497 0,007 -0,170<br />
0,905 0,725 0,604 0,274 0,048 0,050 0,979 0,529<br />
Q_WIN_BAS -0,373 0,216 0,067 0,588* 0,035 -0,037 -0,030 0,109<br />
0,154 0,421 0,805 0,016 0,898 0,891 0,911 0,688<br />
Q_WIN_DIR 0,277 -0,058 -0,246 -0,114 -0,701** 0,697** 0,035 -0,321<br />
0,300 0,832 0,359 0,674 0,002 0,003 0,896 0,226<br />
Q_SOM_GES -0,441 0,142 0,139 0,666** 0,040 -0,010 -0,150 0,173<br />
0,087 0,599 0,609 0,005 0,884 0,972 0,579 0,521<br />
Q_SOM_BAS -0,562* 0,071 0,249 0,791** 0,209 -0,183 -0,146 0,275<br />
0,023 0,795 0,352 0,000 0,437 0,498 0,590 0,303<br />
Q_SOM_DIR 0,344 0,276 -0,360 -0,319 -0,584* 0,603* -0,040 -0,324<br />
0,192 0,302 0,171 0,228 0,017 0,013 0,882 0,221<br />
** Die Korrelation ist auf dem Niveau von 0,01 (2-seitig) signifikant<br />
* Die Korrelation ist auf dem Niveau von 0,05 (2-seitig) signifikant<br />
N = 16, kursiv: Signifikanz (2-seitig)<br />
TS = terrestrischer Sandboden, TL = terrestrischer Lehmboden; SB = semiterrestrischer Boden; RE = durchschnittliche Reliefenergie<br />
im Einzugsgebiet; Q = Abfluß; A = jährlich; ges. = gesamt; bas. = basis; dir = direkt; win = Winter; som = Sommer.
192<br />
Aufgenommene Variablen<br />
Modellbeschreibung <strong>der</strong> multiplen linearen Regression<br />
Modell Aufgen. Variablen<br />
1 Acker/TS<br />
Acker/TL<br />
Modellzusammenfassung<br />
Anhang 4.9.2<br />
Modell R R-Quadrat Korrigiertes R- Standardfehler<br />
Quadrat des Schätzers<br />
1 0,821 0,675 0,625 34,27<br />
ANOVA<br />
Modell Quadratsumme<br />
Regression<br />
Residuen<br />
Gesamt<br />
Koeffizienten<br />
Modell<br />
Konstante<br />
Acker/ TL<br />
Acker/ TS<br />
31676<br />
15265<br />
46940<br />
df Mittel <strong>der</strong><br />
Quadrate<br />
2<br />
13<br />
15<br />
15838<br />
1174<br />
Nicht standardisierte Koeff. Standardisierte<br />
Koeff.<br />
B Std.fehler Beta<br />
116,6<br />
1,274<br />
-3,349<br />
34,9<br />
0,59<br />
1,11<br />
Abhängige Variable: Direktabfluß<br />
0,39<br />
-0,55<br />
F Signifikanz<br />
13,49 0,001<br />
3,34<br />
2,15<br />
-3,02<br />
T Signifikanz<br />
0,005<br />
0,051<br />
0,010
Formeln zur <strong>Ermittlung</strong> des Quotientens „y“ nach Bagrov/Glugla (1975)<br />
Effektivitätsparameter<br />
n“<br />
y<br />
0 y = ETpot<br />
0.30<br />
y = (-0,0367x 2 + 0,3051x + 0,1132)<br />
0.35<br />
y = (-0,0418x 2 + 0,3308x + 0,1216)<br />
0.40<br />
y = (-0,0454x 2 + 0,3483x + 0,1345)<br />
0.50<br />
y = (-0,0521x 2 + 0,3799x + 0,1544)<br />
0.60<br />
y = (-0,06x 2 + 0,4104x + 0,171)<br />
0.70<br />
y = (-0,0662x 2 + 0,4343x + 0,1834)<br />
0.80<br />
y = (-0,0729x 2 + 0,4578x + 0,194)<br />
1.00<br />
y = (-0,0818x 2 + 0,4869x + 0,2187)<br />
1.20<br />
y = (0,0294x 3 - 0,2595x 2 + 0,8087x + 0,0827)<br />
1.40<br />
y = (0,0354x 3 - 0,2992x 2 + 0,8802x + 0,0741)<br />
1.50<br />
y = (0,0402x 3 - 0,3289x 2 + 0,9335x + 0,0586)<br />
1.60<br />
y = (0,0449x 3 - 0,3586x 2 + 0,9867x + 0,0431)<br />
1.70<br />
y = (0,046x 3 - 0,3673x 2 + 1,0027x + 0,0444)<br />
1.80<br />
y = (0,0472x 3 - 0,376x 2 + 1,0186x + 0,0456)<br />
2.00<br />
y = (0,0531x 3 - 0,4102x 2 + 1,0727x + 0,038)<br />
2.50<br />
y = (0,0683x 3 - 0,4969x 2 + 1,2075x + 0,0086)<br />
3.00<br />
y = (0,0788x 3 - 0,5586x 2 + 1,3063x - 0,0139)<br />
4.00<br />
y = (0,0904x 3 - 0,6228x 2 + 1,3972x - 0,0204)<br />
5.00<br />
y = (-0,0691x 4 + 0,6239x 3 - 2,0744x 2 + 3,014x -<br />
0,6188)<br />
8.00<br />
y = (-0,0794x 4 + 0,7101x 3 - 2,3261x 2 + 3,3042x<br />
- 0,7159)<br />
10.00<br />
y = (-0,0914x 4 + 0,8028x 3 - 2,5747x 2 + 3,5645x<br />
- 0,7943)<br />
193<br />
Anhang 5.3.1
194<br />
10°20’<br />
10°30’<br />
Anhang 6.1.1<br />
Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet<br />
Südost-Holstein im Zeitraum 1961-1990<br />
Berechnungsansatz nach Bagrov/Glugla<br />
2227 Bargteheide 2228 Eichede 2229 Krummesse<br />
2327 Ahrensburg<br />
2328 Trittau<br />
2329 Nusse<br />
2427 Glinde 2428 Schwarzenbek 2429 Siebeneichen<br />
2527 Bergedorf<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> in mm/a<br />
350<br />
flächengewichtetes Mittel<br />
für Zellen von 500 x 500m<br />
(ohne Berücksichtigung des Direktabflusses)<br />
2528 Geesthacht<br />
2529 Büchen<br />
2628 Artlenburg 2629 Lauenburg<br />
(Elbe)<br />
<strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
in Südost-Holstein<br />
nach verschiedenen Verfahren unter<br />
Verwendung eines Geoinformationssystems<br />
0 2 4 6 8 10 km<br />
Maßstab 1 : 200.000<br />
10°40’<br />
Berlin 2000<br />
53°48’<br />
53°42’<br />
53°36’<br />
53°30’<br />
53°24’<br />
wiss. Bearbeitung:<br />
Dipl.geol. M. Tesmer
10°20’<br />
10°30’<br />
195<br />
Anhang 6.1.2<br />
Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet<br />
Südost-Holstein im Zeitraum 1961-1990<br />
Berechnungsansatz anhand von VEKOS-Daten<br />
(ohne Berücksichtigung des Direktabflusses)<br />
2227 Bargteheide 2228 Eichede 2229 Krummesse<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> in mm/a<br />
350<br />
flächengewichtetes Mittel<br />
für Zellen von 500 x 500m<br />
2528 Geesthacht<br />
2529 Büchen<br />
2628 Artlenburg 2629 Lauenburg<br />
<strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
in Südost-Holstein<br />
nach verschiedenen Verfahren unter<br />
Verwendung eines Geoinformationssystemes<br />
(Elbe)<br />
0 2 4 6 8 10km<br />
Maßstab 1 : 200.000<br />
10°40’<br />
Berlin 2000<br />
53°48’<br />
53°42’<br />
53°36’<br />
53°30’<br />
53°24’<br />
wiss. Bearbeitung:<br />
Dipl.geol. M. Tesmer
196<br />
10°20’<br />
10°30’<br />
Anhang 6.1.3<br />
Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet<br />
Südost-Holstein im Zeitraum 1961-1990<br />
Berechnungsansatz nach Renger & Wessolek<br />
(ohne Berücksichtigung des Direktabflusses)<br />
2227 Bargteheide 2228 Eichede 2229 Krummesse<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> in mm/a<br />
350<br />
flächengewichtetes Mittel<br />
für Zellen von 500 x 500m<br />
2528 Geesthacht<br />
2529 Büchen<br />
2628 Artlenburg 2629 Lauenburg<br />
(Elbe)<br />
<strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
in Südost-Holstein<br />
nach verschiedenen Verfahren unter<br />
Verwendung eines Geoinformationssystems<br />
0 2 4 6 8 10 km<br />
Maßstab 1 : 200.000<br />
10°40’<br />
Berlin 2000<br />
53°48’<br />
53°42’<br />
53°36’<br />
53°30’<br />
53°24’<br />
wiss. Bearbeitung:<br />
Dipl.geol. T. Meyer
10°20’<br />
10°30’<br />
197<br />
Anhang 6.1.4<br />
Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet<br />
Südost-Holstein im Zeitraum 1961-1990<br />
Berechnungsansatz nach Proksch<br />
2227 Bargteheide 2228 Eichede 2229 Krummesse<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> in mm/a<br />
350<br />
flächengewichtetes Mittel<br />
für Zellen von 500 x 500m<br />
(ohne Berücksichtigung des Direktabflusses)<br />
2528 Geesthacht<br />
2529 Büchen<br />
2628 Artlenburg 2629 Lauenburg<br />
(Elbe)<br />
<strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
in Südost-Holstein<br />
nach verschiedenen Verfahren unter<br />
Verwendung eines Geoinformationssystems<br />
0 2 4 6 8 10km<br />
Maßstab 1 : 200.000<br />
10°40’<br />
Berlin 2000<br />
53°48’<br />
53°42’<br />
53°36’<br />
53°30’<br />
53°24’<br />
wiss. Bearbeitung:<br />
Dipl.geol. M. Tesmer
198<br />
10°20’<br />
10°30’<br />
Anhang 6.1.5<br />
Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet<br />
Südost-Holstein im Zeitraum 1961-1990<br />
Berechnungsansatz nach Bagrov/Glugla<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> in mm/a<br />
350<br />
flächengewichtetes Mittel<br />
für Zellen von 500 x 500m<br />
2228 Eichede<br />
2428 Schwarzenbek<br />
2528 Geesthacht<br />
2628 Artlenburg<br />
<strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
in Südost-Holstein<br />
nach verschiedenen Verfahren unter<br />
Verwendung eines Geoinformationssystems<br />
2229 Krummesse<br />
2429 Siebeneichen<br />
2529 Büchen<br />
2629 Lauenburg<br />
(Elbe)<br />
0 2 4 6 8 10km<br />
Maßstab 1 : 200.000<br />
10°40’<br />
Berlin 2000<br />
53°48’<br />
53°42’<br />
53°36’<br />
53°30’<br />
53°24’<br />
wiss. Bearbeitung:<br />
Dipl.geol. M. Tesmer
10°20’<br />
10°30’<br />
199<br />
Anhang 6.1.6<br />
Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet<br />
Südost-Holstein im Zeitraum 1961-1990<br />
Berechnungsansatz nach Josopait & Lillich<br />
2227 Bargteheide 2228 Eichede 2229 Krummesse<br />
2327 Ahrensburg<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> in mm/a<br />
2328 Trittau<br />
2329 Nusse<br />
2427 Glinde 2428 Schwarzenbek 2429 Siebeneichen<br />
2527 Bergedorf<br />
350<br />
flächengewichtetes Mittel<br />
für Zellen von 500 x 500m<br />
2528 Geesthacht<br />
2529 Büchen<br />
2628 Artlenburg 2629 Lauenburg<br />
(Elbe)<br />
<strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
in Südost-Holstein<br />
nach verschiedenen Verfahren unter<br />
Verwendung eines Geoinformationssystems<br />
0 2 4 6 8 10km<br />
Maßstab 1 : 200.000<br />
10°40’<br />
Berlin 2000<br />
53°48’<br />
53°42’<br />
53°36’<br />
53°30’<br />
53°24’<br />
wiss. Bearbeitung:<br />
Dipl.geol. M. Tesmer
200<br />
10°20’<br />
10°30’<br />
Anhang 6.1.7<br />
Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet<br />
Südost-Holstein im Zeitraum 1961-1990<br />
Berechnungsansatz nach Dörhöfer & Josopait<br />
2227 Bargteheide 2228 Eichede 2229 Krummesse<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> in mm/a<br />
350<br />
flächengewichtetes Mittel<br />
für Zellen von 500 x 500m<br />
2528 Geesthacht<br />
2529 Büchen<br />
2628 Artlenburg 2629 Lauenburg<br />
(Elbe)<br />
<strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
in Südost-Holstein<br />
nach verschiedenen Verfahren unter<br />
Verwendung eines Geoinformationssystems<br />
0 2 4 6 8 10 km<br />
Maßstab 1 : 200.000<br />
10°40’<br />
Berlin 2000<br />
53°48’<br />
53°42’<br />
53°36’<br />
53°30’<br />
53°24’<br />
wiss. Bearbeitung:<br />
Dipl.geol. T. Meyer
10°20’<br />
10°30’<br />
201<br />
Anhang 6.1.8<br />
Mittlere <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> im Untersuchungsgebiet<br />
Südost-Holstein im Zeitraum 1961-1990<br />
Berechnungsansatz nach Schroe<strong>der</strong> & Wyrwich<br />
2227 Bargteheide 2228 Eichede 2229 Krummesse<br />
<strong>Grundwasserneubildungsrate</strong> in mm/a<br />
350<br />
flächengewichtetes Mittel<br />
für Zellen von 500 x 500m<br />
2528 Geesthacht<br />
2529 Büchen<br />
2628 Artlenburg 2629 Lauenburg<br />
<strong>Ermittlung</strong> <strong>der</strong> <strong>flächendifferenzierten</strong> <strong>Grundwasserneubildungsrate</strong><br />
in Südost-Holstein<br />
nach verschiedenen Verfahren unter<br />
Verwendung eines Geoinformationssystems<br />
(Elbe)<br />
0 2 4 6 8 10km<br />
Maßstab 1 : 200.000<br />
10°40’<br />
Berlin 2000<br />
53°48’<br />
53°42’<br />
53°36’<br />
53°30’<br />
53°24’<br />
wiss. Bearbeitung:<br />
Dipl.geol. T. Meyer
Persönliche Daten:<br />
Tabellarischer Lebenslauf<br />
Name Tammo René Meyer<br />
Geburtstag und -ort 13. Januar 1968 in Bremen<br />
Familienstand ledig<br />
Schulbildung:<br />
1974 - 1980: Grundschule und Orientierungsstufe, Schule<br />
Flämische Straße Bremen<br />
1980 - 1987: Gymnasium, Schulzentrum Huchting, Bremen<br />
05. Juni 1987 Erlangung <strong>der</strong> Allgemeinen Hochschulreife<br />
Zivildienst<br />
März 1988 – Oktober 1989 Wehrersatzdienst bei <strong>der</strong> Lebenshilfe für geistig<br />
Behin<strong>der</strong>te e. V. Bremen<br />
Hochschulstudium:<br />
WS 1989/90 – WS 1996/97 Studium <strong>der</strong> Geologie-Paläontologie (Schwerpunkt<br />
Hydrogeologie) am Institut für Geologie,<br />
Geoinformatik und Geophysik <strong>der</strong> Freien Universität<br />
Berlin<br />
13. Januar 1997 Diplom in Geologie-Paläontologie<br />
Promotion:<br />
seit Jan. 1997 Im Rahmen des F & E-Vorhaben „Wasserhaushaltsuntersuchungen<br />
im Planungsraum Südost-<br />
Holstein<br />
Tag <strong>der</strong> mündlichen Prüfung 03. Juli 2000
Persönliche Daten:<br />
Tabellarischer Lebenslauf<br />
Name Maja, Natalie Tesmer<br />
Geburtstag und -ort 19. August 1967 in Kassel<br />
Familienstand ledig<br />
Schulbildung:<br />
1973 - 1977: Grundschule Am Heideweg, Kassel<br />
1977 - 1986: Friedrichs-Gymnasium, Kassel<br />
05. Juni 1986 Erlangung <strong>der</strong> Allgemeinen Hochschulreife<br />
Auslandsaufenthalte<br />
10/1986 - 08/1987 Edinburgh (Schottland): Au Pair<br />
11/1987 - 09/1989 Barcelona (Spanien): Sprachassistentin für Englisch<br />
und Deutsch<br />
Hochschulstudium:<br />
WS 1989/90 – SS 1996 Studium <strong>der</strong> Geologie-Paläontologie (Schwerpunkt<br />
Hydrogeologie) am Institut für Geologie,<br />
Geoinformatik und Geophysik <strong>der</strong> Freien Universität<br />
Berlin<br />
27.08.1996 Diplom in Geologie-Paläontologie<br />
Promotion:<br />
seit Jan. 1997 Im Rahmen des F & E-Vorhaben „Wasserhaushaltsuntersuchungen<br />
im Planungsraum Südost-<br />
Holstein<br />
Tag <strong>der</strong> mündlichen Prüfung 03. Juli 2000