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BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
BAGLUVA
Wasserhaushaltsverfahren zur Berechnungvieljähriger Mittelwerte der tatsächlichen
Verdunstung und des Gesamtabflusses
BfG-1342
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
Bundesanstalt für Gewässerkunde
BfG-Bericht Nr. 1342
Wasserhaushaltsverfahren zur Berechnungvieljähriger Mittelwerte der tatsächlichen
Verdunstung und des Gesamtabflusses
Bearbeiter: Dr.rer.nat. Gerhard GluglaDipl.-Met. Petra JankiewiczDipl.-Math. Claudia RachimowDipl.-Ing. Klaus LojekDipl.-Hydr. Katharina RichterMet.Techn. Gisela FürtigDipl.-Met. Peter Krahe
Koblenz 2003 BfG-1342
Vervielfältigungen oder Veröffentlichungen des Gutachtens – auch auszugsweise – bedürfen der schriftlichen Genehmigung derBundesanstalt für Gewässerkunde.
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Danksagung
Wesentliche Voraussetzung für die breite Anwendbarkeit des hier beschriebenen Verfahrens wardie Bereitstellung der Messreihen verschiedener Lysimeterbetreiber. Hierfür ist dieArbeitsgruppe an der Außenstelle Berlin der Bundesanstalt für Gewässerkunde unter der Leitungvon Dr. Gerhard Glugla den Betreibern der Stationen zu großem Dank verpflichtet.Den Mitarbeitern des Geschäftsfeldes Hydrometeorologie Berlin-Buch des DeutschenWetterdienstes sei für die zusätzlich erarbeiteten ergänzenden Klimadaten und für dieunterstützenden Angaben zu Schnee- und Gewässerverdunstung ebenso gedankt, wie derBundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe für die Bereitstellung von über die HAD-Daten hinausgehenden Informationen und darüber hinaus beiden Institutionen für die guteKooperation im Verlauf der Projektarbeiten.Besonderer Dank gilt außerdem der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die durch dieFörderung dieses Projektes diese umfangreiche Arbeit erst ermöglichte.
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I
Inhaltsverzeichnis
1 Veranlassung und Zielstellung .............................................................................................1
2 Methodische Grundlagen des Wasserhaushaltsverfahrens BAGLUVA ..........................32.1 Anforderungen.....................................................................................................................32.2 Methodenauswahl ................................................................................................................52.3 Das BAGROV-Verfahren Haupteinflussgrößen und Weiterentwicklung des Verfahrens52.4 Wasserverfügbarkeit ............................................................................................................7
2.4.1 Niederschlagsdargebot.................................................................................................72.4.2 Zusätzliches Wasserdargebot durch Beregnung..........................................................92.4.3 Zusätzliches Wasserdargebot durch Kapillarwasseraufstieg aus flurnahem
Grundwasser ................................................................................................................92.5 Energieverfügbarkeit .........................................................................................................13
2.5.1 Gras-Referenzverdunstung ........................................................................................142.5.2 Grenzen der PENMAN-MONTEITH-Gleichung ............................................................142.5.3 Maximale Verdunstung .............................................................................................18
2.5.3.1 Einfluss der Schneedecke auf die maximale Verdunstung....................................192.5.3.2 Einfluss der Hangneigung und –exposition auf die maximale Verdunstung ........21
2.5.4 Bestimmung des landnutzungsabhängigen Standortparameters f .............................222.5.4.1 Versiegelte, teilversiegelte und vegetationslose Flächen ......................................232.5.4.2 Vegetationsbedeckte Flächen ................................................................................242.5.4.3 Einzugsgebiete.......................................................................................................282.5.4.4 Optimierung des Parameters f ..............................................................................30
2.6 Bestimmung des Effektivitätsparameters n für das BAGROV-Verfahren...........................362.6.1 Interzeptionsspeicher .................................................................................................362.6.2 Bodenspeicher ...........................................................................................................38
2.6.2.1 Inverse Nutzung eines Bodenwasserhaushaltsmodells zur Bestimmung derAusschöpfungstiefe................................................................................................39
2.6.2.2 Zusammenhang von Bodenwasserausschöpfung und Effektivitätsparameter n....422.7 Ergebnisse der Parameterbestimmungen für verschiedene Landnutzungsformen ............43
2.7.1 Versiegelte und teilversiegelte Flächen.....................................................................442.7.2 Vegetationslose Böden ..............................................................................................442.7.3 Grünland und Grasflächen.........................................................................................462.7.4 Ackerland mit Fruchtfolgen.......................................................................................482.7.5 Bewaldete Flächen.....................................................................................................50
2.8 Einfluss der Parallelität der Jahresgänge von Wasser- und Energieverfügbarkeit auf denEffektivitätsparameter n .....................................................................................................61
2.9 Bedingungen für den Einsatz des BAGROV-Verfahrens zur Berechnung vieljährigerMittelwerte des Wasserhaushalts.......................................................................................63
3 Anwendung des Wasserhaushaltsverfahrens BAGLUVA...............................................653.1 Verfahrensgrundlagen und Algorithmen ...........................................................................653.2 Erforderliche Eingangsdaten und ihre Verfügbarkeit........................................................66
3.2.1 Klimadaten einschließlich Schneedecke und Gewässerverdunstung ........................673.2.2 Landnutzung ..............................................................................................................673.2.3 Digitales Höhenmodell ..............................................................................................713.2.4 Bodenkenngrößen......................................................................................................713.2.5 Grundwasserflurabstand ............................................................................................72
3.3 Programmablauf ................................................................................................................72
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II
3.4 Beispielrechnungen mit verschiedenen Kombinationen der jeweiligen Eingangsdaten ...753.5 Erstellung der HAD-Karten...............................................................................................78
3.5.1 Tatsächliche Verdunstungshöhe ................................................................................783.5.2 Abflusshöhe ...............................................................................................................82
4 Testung im Gebiet................................................................................................................86
5 Zusammenfassung ...............................................................................................................89
6 Literatur ...............................................................................................................................90
7 Anlagen .................................................................................................................................957.1 Berechnungsformeln für die einzelnen Größen der PENMAN-MONTEITH-Gleichung .......957.2 Algorithmen zur Bestimmung der im Wasserhaushaltsverfahren BAGLUVA
erforderlichen Parameter....................................................................................................99
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III
Abbildungsverzeichnis
Bild 1: Einflussfaktoren auf die Abflusshöhe..................................................................................1Bild 2: Beispiel für den Zusammenhang vieljähriger Mittelwerte der Wasserhaushaltsgrößen und
für die Fehlerfortpflanzung (Annahme n = 2,0).......................................................................4Bild 3: Maximaler relativer Fehler R∆ von R bei angenommenem Fehler ±10 % für korrP und
ETa ..........................................................................................................................................4Bild 4: Graphische Darstellung der BAGROV-Beziehung, modifiziert nach GLUGLA u.a., und des
Einflusses der Landnutzung (Effektivitätsparameter n)..........................................................6Bild 5: Korrigierte Werte bei flüssigem Niederschlag an der Lysimeterstation Brandis unter
der Annahme einer leicht geschützten Stationslage (Messung in 1 m Höhe: P1, imBodenniveau: P0) .....................................................................................................................8
Bild 6: Korrigierte Werte bei festem Niederschlag an der Lysimeterstation Brandis unter derAnnahme einer leicht geschützten Stationslage (Messung in 1 m Höhe: P1, imBodenniveau: P0) .....................................................................................................................8
Bild 7: Schema zur Berechnung des kapillaren Wasseraufstiegs aus flurnahem Grundwasser ....12Bild 8: Kapillare Aufstiegsrate KR in Abhängigkeit vom Abstand zA zwischen
Grundwasseroberfläche und Untergrenze der Ausschöpfungszone WebzWe ⋅= für Sandeunterschiedlicher nutzbarer Feldkapazität .............................................................................12
Bild 9: Verlauf des Bestandeswiderstandes für zwei Getreidearten, aus Lysimetermessungenabgeleitet (LÖPMEIER, 1983)..................................................................................................15
Bild 10: Typische Abhängigkeiten des Stomatawiderstandes von Licht (photosynthetic photonflux density), Blattflächentemperatur Tleaf, Sättigungsdefizit der Luft vdda, CO2-Konzentration, Blattwasserpotenzial (OKE, 1987) ................................................................15
Bild 11: Vertikale Windprofile über verschiedenen Flächen (BAUMGARTNER und LIEBSCHER,1990)......................................................................................................................................17
Bild 12: Aerodynamischer Widerstand ra berechnet mit verschiedenenParametrisierungsansätzen.....................................................................................................17
Bild 13: PENMAN-MONTEITH-Verdunstung für Gras (α = 0,23, zB = 12 cm → ET0) und unterVariation der Albedo und der Vegetationshöhe (→ ETa), berechnet anhand täglicherKlimadaten der Station Brandis, 1993 – 1997.......................................................................18
Bild 14: Bestimmung einer fiktiven zusammenhängenden Schneeperiode aus den vorgegebenenSchneeinformationen .............................................................................................................20
Bild 15: Faktoren fH zur Umrechnung der maximalen Verdunstung einer ebenen Fläche auf denHang in Abhängigkeit von dessen Neigung und Exposition (GOLF, 1981) ..........................22
Bild 16: Parameter f für vegetationslosen Boden in Abhängigkeit von der Volumenfeuchte dernutzbaren Feldkapazität ΘnFK .................................................................................................23
Bild 17: Tageswerte der tatsächlichen Verdunstung ETa bei ausreichender Wasserverfügbarkeit,bezogen auf die Gras-Referenzverdunstung ET0 (Brandis, Lysimetergruppe 10,Halmfrüchte, Pflanzenhöhe 30 bis 60 cm) ............................................................................25
Bild 18: Tageswerte der tatsächlichen Verdunstung ETa bei ausreichender Wasserverfügbarkeit,bezogen auf die Gras-Referenzverdunstung ET0 (Brandis, Lysimetergruppe 10, Halmfrüchte,Pflanzenhöhe 60 cm bis 90 cm).............................................................................................25
Bild 19: Tageswerte der tatsächlichen Verdunstung ETa bei ausreichender Wasserverfügbarkeit,bezogen auf die Gras-Referenzverdunstung ET0 (Brandis, Lysimetergruppe 10,Zuckerrüben, Pflanzenhöhe 45 bis 60 cm) ............................................................................26
Bild 20: Tageswerte der tatsächlichen Verdunstung ETa bei ausreichender Wasserverfügbarkeit,bezogen auf die Gras-Referenzverdunstung ET0 (Brandis, Lysimetergruppe 10, Kartoffeln,Pflanzenhöhe 30 bis 45 cm)...................................................................................................26
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IV
Bild 21: Monatsmittelwerte von MMM 0ETETf /max= für Halm- und Hackfrüchte sowie fürFruchtfolgen auf tiefgründigem Löß (Brandis, Lysimetergruppe 10)...................................27
Bild 22: Optimierung des Parameters f für Wald und Grünland/Acker aus dem Vergleichberechneter und gemessener Abflusshöhen...........................................................................30
Bild 23: Gesamtheit der Abhängigkeiten zwischen den Standortparametern ..............................32Bild 24: Berechnungsbeispiel (Lysimeter Gießen) für den Zusammenhang der Parameter f , n
und We . .................................................................................................................................33Bild 25: Parameter f für Acker mit Fruchtfolgen in Abhängigkeit von der Volumenfeuchte der
nutzbaren Feldkapazität nFKΘ (Kurzzeichen an den Punkten kennzeichnen dieLysimeterstationen gemäß Tabelle 6)....................................................................................34
Bild 26: Parameter f für Gras in Abhängigkeit von der Volumenfeuchte der nutzbarenFeldkapazität nFKΘ (Kurzzeichen an den Punkten kennzeichnen die Lysimeterstationengemäß Tabelle 6) ...................................................................................................................34
Bild 27: Berechnungsbeispiel der täglichen Interzeptionshöhe I aus korrigiertenTagesniederschlägen Pkorr (Interzeptionskapazität Imax) ..........................................................37
Bild 28: Reduktionsbeziehung nach DISSE (1995), modifiziert durch den Bezug auf diemaximale Verdunstung bei Vernachlässigung der Interzeption............................................39
Bild 29: Effektivitätsparameter n bzw. n* in Abhängigkeit vom Wasservorrat bei nutzbarerFeldkapazität WenFK ⋅Θ (Die Buchstaben bezeichnen die ausgewerteten Lysimeter gemäßTabelle 6) ...............................................................................................................................43
Bild 30: Effektivitätsparameter n für vegetationslosen Boden in Abhängigkeit von derVolumenfeuchte nFKΘ der nutzbaren Feldkapazität ...............................................................45
Bild 31: WenFK ⋅Θ in Abhängigkeit von der nutzbaren Feldkapazität nFKΘ für Gras mit 12 cmHöhe.......................................................................................................................................47
Bild 32: WenFK ⋅Θ in Abhängigkeit von der nutzbaren Feldkapazität nFKΘ für Fruchtfolgen ........49Bild 33: 3-jährige gleitende Mittelwerte von korrP , maxET und ETa (Interzeptionsverdunstung
enthalten) in Abhängigkeit vom Bestandesalter, Lysimeter Eberswalde-Britz (1974-1997),Kiefer .....................................................................................................................................50
Bild 34: Effektivitätsparameter n nach BAGROV in Abhängigkeit vom Bestandesalter undzugehörige 3-jährige gleitende Mittelwerte von korrP , Lysimeter Eberswalde-Britz (1974-1997) und Colbitz-Letzlinger Heide (1973-1996), (Kiefer) ..................................................51
Bild 35: Effektivitätsparameter n nach BAGROV in Abhängigkeit vom Bestandesalter einesKiefern-Baumholzes, Lysimeter Eberswalde-Liepe (1974-1997).........................................52
Bild 36: Effektivitätsparameter n nach BAGROV in Abhängigkeit vom Bestandesalter (3-jährigegleitende Mittel bzw. Mittelwert für die angegebene Zeitspanne)........................................52
Bild 37: Verallgemeinerte Werte des Effektivitätsparameters n nach BAGROV in Abhängigkeitvom Bestandesalter für Kiefer und Buche.............................................................................53
Bild 38: Optimierte Werte des Parameters f für Nadelwald in Abhängigkeit vom Bestandesalter...............................................................................................................................................53
Bild 39: Gegenüberstellung verschiedener Wasserhaushaltsgrößen in Abhängigkeit vomBestandesalter ........................................................................................................................55
Bild 40: Parameter f für Nadel- und Laubwald auf verschiedenen Böden in Abhängigkeit vomUmtriebsalter (UA) .................................................................................................................58
Bild 41: Effektivitätsparameter n in Abhängigkeit vom Umtriebsalter von Laub- undNadelwald für bindige Böden (schwarze Linien) und sandige Böden (blaue Linien) ..........58
Bild 42: We* als Funktion des Umtriebsalters von Laub- und Nadelwald für bindige und sandigeBöden.....................................................................................................................................58
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V
Bild 43: Korrektur des Effektivitätsparameters n nach BAGROV unter Berücksichtigung desNiederschlages im Sommerhalbjahr und bei Beregnung ......................................................62
Bild 44: Einfluss der Länge des Mittelungszeitraumes auf die Abhängigkeit des QuotientenmaxET/ETa von maxET/Pkorr (Brandis, Lysimeter 5) .......................................................64
Bild 45: Schema zur Berechnung der mittleren jährlichen tatsächlichen Verdunstung und desmittleren jährlichen Gesamtabflusses nach dem Wasserhaushaltsverfahren BAGLUVA(GLUGLA, 1999b;) ..................................................................................................................73
Bild 46: Programmablaufplan BAGLUVA..................................................................................74Bild 47: Nutzung von HAD-Daten zur Ermittlung der mittleren jährlichen tatsächlichen
Verdunstungs- und Abflusshöhe ...........................................................................................78Bild 48: Tatsächliche Verdunstungshöhe für Deutschland ..........................................................80Bild 49: West-Ost-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher tatsächlicher Verdunstungshöhen
( -- ) und der Gras-Referenzverdunstung ( -- ) des Bezugszeitraums 1961-1990 in 51,8°nördlicher Breite ....................................................................................................................81
Bild 50: Nord-Süd-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher tatsächlicher Verdunstungshöhen( -- ) und der Gras-Referenzverdunstung ( -- ) des Bezugszeitraums 1961-1990 in 10,6°östlicher Länge ......................................................................................................................81
Bild 51: Tatsächliche Verdunstungshöhen für verschiedene Landnutzungen aufunterschiedlichen Böden........................................................................................................82
Bild 52: Abflusshöhe für Deutschland ..........................................................................................83Bild 53: West-Ost-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher Abflusshöhen ( -- ) und der
Klimatischen Wasserbilanz ( -- ) des Bezugszeitraums 1961-1990 in 51,8° nördlicherBreite .....................................................................................................................................84
Bild 54: Nord-Süd-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher Abflusshöhen ( -- ) und derKlimatischen Wasserbilanz ( -- ) des Bezugszeitraums 1961-1990 in 10,6° östlicher Länge...............................................................................................................................................85
Bild 55: Ausgewählte Testgebiete zur Validierung berechneter Abflusshöhen............................86Bild 56: Berechnete und aus Messungen ermittelte Abflusshöhen ..............................................88
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VI
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Korrekturvorschrift für bodengleiche Niederschlagsmessungen (nach RICHTER,1997) 7Tabelle 2: Kapillare Aufstiegsrate KR (mm d-1) in Abhängigkeit vom Abstand zA (dm) zwischen
Grundwasseroberfläche und Unterkante der Ausschöpfungszone Web ⋅ (dm) fürBodenarten und ausgewählte nFKΘ -Werte (Vol.%)................................................................10
Tabelle 3: Mittlere tägliche Schneeverdunstung SE nach RACHNER (1999) und sich darausergebende Monatswerte und Jahreswerte für die Verdunstung einer Schneedecke..............19
Tabelle 4: Ausgewählte Einzugsgebiete zur Optimierung der Parameter f für Wald undGrünland aus dem Vergleich berechneter und gemessener Abflusshöhen............................28
Tabelle 5: Einzugsgebiete des Voralpenraumes Deutschlands zur Optimierung des Parameters f...............................................................................................................................................30
Tabelle 6: Liste der in die Untersuchungen einbezogenen Lysimeterstationen ..............................1Tabelle 7: Ausschöpfbarer Bodenwasservorrat WenFK ⋅Θ und Ausschöpfungstiefe We für die
Lysimeter der Station Brandis (Lysimetergruppen nach wachsender Speicherkapazitätgeordnet) ................................................................................................................................41
Tabelle 8: Wasserhaushaltsgrößen nach Beobachtungsergebnissen wägbarer Lysimeter und nachLiteraturrecherchen................................................................................................................44
Tabelle 9: Parameterwerte f , n und We .......................................................................................44Tabelle 10: Algorithmen zur Berechnung des Parameters 0ETETf /max= , der Ausschöpfungs-
tiefe We in dm, mit 0≥We und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung,n > 0, nFKΘ in Vol.%..............................................................................................................45
Tabelle 11: Parameterwerte f , n, We sowie WenFK ⋅Θ in Abhängigkeit von der VolumenfeuchtenFKΘ der nutzbaren Feldkapazität für ausgewählte Werte......................................................45
Tabelle 12: Wasserhaushaltsgrößen von Standorten in Tagebaugebieten...................................46Tabelle 13: Berechnungsbeispiel des Wasserhaushalts nach dem BAGROV-Verfahren für
ausgewählte Werte von nFKΘ , korrP und 0ET unter Berücksichtigung der Tabelle 11 und vonAbschnitt 2.7.3.......................................................................................................................46
Tabelle 14: Algorithmen zur Berechnung des Parameters 0ET/maxETf = , der Ausschöpfungs-tiefe We in dm, mit 0≥We und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung,n > 0, nFKΘ in Vol.% für Landnutzungseinheit „Grünland/Gras (mittlere Höhe 12 cm)“....47
Tabelle 15: Algorithmen zur Berechnung des Parameters 0ET/maxETf = , der Ausschöpfungs-tiefe We in dm, mit 0≥We und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung,n > 0, nFKΘ in Vol.% für die Landnutzungseinheit „Grünland/Gras (variable Höhe)“ ..........48
Tabelle 16: Algorithmen zur Berechnung des Parameters 0ET/maxETf = , der Ausschöpfungs-tiefe We in dm, mit 0≥We und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung,n > 0, nFKΘ in Vol.% für die Landnutzungseinheit „Ackerland“...........................................49
Tabelle 17: Ergebnisse der Parameteroptimierung ( f , n, We ) nach Berechnungen fürInterzeptions- und Bodenspeicher ( f , n*, We * ) bzw. nach Berechnungen für denBodenspeicher ohne Interzeptionsverdunstung EI .................................................................56
Tabelle 18: Ergebnisse der Parameteroptimierung ( f , n, We ) nach Berechnungen fürInterzeptions- und Bodenspeicher ( f , n*, We *) bzw. nach Berechnungen für denBodenspeicher ohne Interzeptionsverdunstung EI ................................................................57
Tabelle 19: Algorithmen zur Berechnung des Parameters 0ET/maxETf = , der Ausschöpfungs-tiefe We in dm, mit 0≥We und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung,n > 0, ΘnFK in Vol.% für Wald...............................................................................................59
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VII
Tabelle 20: Festlegung des Umtriebsalters UA bewaldeter Flächen (nach MÜLLER ,1999) ..........66Tabelle 21: CORINE Land Cover Nomenklatur der Bodenbedeckungen ....................................68Tabelle 22: Anteile der im Wasserhaushaltsverfahren BAGLUVA verwendeten Landnutzungs-
einheiten an den Landnutzungsarten der CORINE-Nomenklatur (s. Tabelle 21 und Text) ...1Tabelle 23: Zuordnung der Legendennummer (BÜK1000) zu nFKΘ der Bodenarten ..................72Tabelle 24: Beispiel 1 - Berechnung der mittleren jährlichen Verdunstung ETa und des
Gesamtabflusses R für ausgewählte Berechnungsvarianten (Varianten 1 bis 9) nach demWasserhaushaltsverfahren BAGLUVA.................................................................................76
Tabelle 25: Charakteristika ausgewählter Testgebiete zur Validierung berechneter Abflusshöhen...............................................................................................................................................87
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VIII
Definitionen Begriffe, Symbole, Einheiten und Abkürzungen
Formel-zeichen
physikalischeEinheit
Bedeutung
a Parameter zur Modifikation des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Beziehung
B mm Beregnung, bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a
cp J kg-1 K-1 spezifische Wärme der Luft bei konstantem Druck (= 1005 J/(kg⋅K))
D d Hauptwachstumszeit
d m Verdrängungshöhe
E mm Verdunstung allgemein (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a)
EI mm Interzeptionsverdunstung (= Verdunstungshöhe von Interzeptionswasser) (bezogenauf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a)
ES mm Evaporation schneebedeckter Flächen (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d,Monat, a)
EW mm Evaporation freier Wasserflächen (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d,Monat, a)
Ea mm tatsächliche (reale) Evaporationshöhe (actual evaporation) (bezogen auf diejeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a)
Emax mm landnutzungsabhängige maximale Evaporationshöhe (bezogen auf die jeweiligeZeiteinheit s, h, d, Monat, a)
ET0 mm Gras-Referenzverdunstung (FAO-Standard) (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s,h, d, Monat, a)
ET0* mm Gras-Referenzverdunstung (aus Klimadaten mittels Kalibrierung) (bezogen auf diejeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a)
ETa mm tatsächliche Evapotranspirationshöhe (actual evapotranspiration) (bezogen auf diejeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a)
ETa* mm um die Interzeptionsverdunstung verminderte Werte von ETa (bezogen auf diejeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a)
ETmax mm landnutzungsabhängige maximale Evapotranspirationshöhe (bezogen auf diejeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a)
ETmax* mm um die Interzeptionsverdunstung verminderte Werte von ETmax (bezogen auf diejeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a)
Etp / Ep mm potentielle Evapotranspirationshöhe (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d,Monat, a)
e hPa Dampfdruck der Luft
eS(T) hPa Sättigungsdampfdruck der Luft bei der Temperatur T, auch für Luft mitWasseroberflächentemperatur T = Tw0; teilweise auch als es bezeichnet
eS(T) − e hPa Sättigungsdefizit
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IX
Formel-zeichen
physikalischeEinheit
Bedeutung
f Faktor zur Ableitung der landnutzungsabhängigen maximalen EvapotranspirationETmax aus der Gras-Referenzverdunstung ET0
fH Faktor zur Berücksichtigung von Hangneigung und -exposition auf die maximaleVerdunstung
f0 Faktor zur Bestimmung der Verdunstung unbewachsener Flächen aus der Gras-Referenzverdunstung
G W m-2 Bodenwärmestromdichte
H W m-2 fühlbare Wärmestromdichte
HE Hangexposition
HN Grad Hangneigung
h m Höhe über NN
I mm Interzeptionshöhe, vorübergehend an Oberflächen gespeicherter Niederschlag(bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a)
Imax mm Interzeptionskapazität, maximal an Oberflächen haftendes Wasservolumen
JT Tag des Jahres, Tageszählung ab Jahresbeginn (1...365/366)
k Küstenfaktor
KR mm d-1 kapillare Aufstiegsrate, Bewegung von Wasser aus dem Grundwasserraum in denSickerraum entgegen der Schwerkraft
KWB mm a-1 Klimatische Wasserbilanz (= korrigierter Niederschlag minus Gras-Referenz-verdunstung)
L* J kg-1 spezifische Verdampfungswärme (≈ 2,45⋅106 J/kg bei 20 °C)
L J m-2 mm-1 spezielle Verdunstungswärme; Wärmemenge, die für die Verdunstungshöhe von1 mm nötig ist
LAI Blattflächenindex
LE W m-2 latente Wärmestromdichte der Verdunstung als Produkt der Größen L und E(≈ 28,36 W m-2 entsprechen 1 mm d-1 Verdunstung)
n, n*, nK Effektivitätsparameter nach BAGROV, ∼ unter Berücksichtigung der Interzeption, ∼unter Berücksichtigung des Kapillarwasseraufstiegs
nM Zahl der Monatstage
P mm Niederschlagshöhe, gemessen (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat,a)
Pgrenz mm Niederschlagshöhe, bei der die Interzeptionskapazität Imax erreicht wird (bezogen aufdie jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a)
Pkorr mm Niederschlagshöhe nach Korrektur der systematischen Messfehler (bezogen auf diejeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a)
P0 mm Niederschlagshöhe gemessen im Bodenniveau (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheits, h, d, Monat, a)
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X
Formel-zeichen
physikalischeEinheit
Bedeutung
P1 mm Niederschlagshöhe gemessen in 1 m Höhe (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s,h, d, Monat, a)
R mm Abflusshöhe (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a)
R2 Bestimmtheitsmaß (Quadrat des Korrelationskoeffizienten)
RA W m-2 langwellige Ausstrahlung von der Land- oder Wasseroberfläche
RA* mm d-1 Verdunstungsäquivalent der langwelligen Ausstrahlung von der Land- oderWasseroberfläche
RG W m-2 Globalstrahlung, auf der horizontalen Fläche auftreffende kurzwellige Strahlung alsSumme aus direkter Sonnenstrahlung und diffuser Himmelsstrahlung
RL W m-2 langwellige Gegenstrahlung der Atmosphäre
RL* mm d-1 Verdunstungsäquivalent der langwelligen Gegenstrahlung der Atmosphäre
R0 W m-2 extraterrestrische Strahlung
Rn W m-2 Strahlungsbilanz (Nettostrahlung)
Rn* mm d-1 Verdunstungsäquivalent der Strahlungsbilanz (der Nettostrahlung)
RnK W m-2 kurzwellige Strahlungsbilanz der Oberfläche
RnK* mm d-1 Verdunstungsäquivalent der kurzwelligen Strahlungsbilanz (der Nettostrahlung)
RnL W m-2 langwellige Strahlungsbilanz der Oberfläche
RnL* mm d-1 Verdunstungsäquivalent der langwelligen Strahlungsbilanz (der Nettostrahlung)
r DISSE-Parameter
ra s/m aerodynamischer Widerstand
rc s/m Verdunstungswiderstand des Pflanzenbestandes
rc,min s/m minimaler Verdunstungswiderstand des Pflanzenbestandes
S h Sonnenscheindauer
Sr relative Sonnenscheindauer
S0 h astronomisch mögliche Sonnenscheindauer
SW mm Sickerwasserhöhe (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a)
s hPa K-1 ∂eS/∂T, Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve
T °C Lufttemperatur
Tabs K absolute Temperatur (= T + 273,15)
TL h Tageslänge
Ta mm tatsächliche (reale) Transpiration (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d,Monat, a)
Tm °C Mitteltemperatur eines Bezugszeitraumes
Tp mm potentielle Transpiration (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a)
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XI
Formel-zeichen
physikalischeEinheit
Bedeutung
t s, h, d Zeit
U relative Luftfeuchte, Dampfdruck in Prozent des Sättigungsdampfdruckes
UA a Umtriebsalter eines Waldes
vz m/s Windgeschwindigkeit, Messhöhe z in m als Index
W mm Wasservorrat allgemein
WFK mm Bodenwasservorrat bei Feldkapazität (z. B. in der Bodenschicht bis 1 m Tiefe)
WnFK, We mm pflanzennutzbarer Bodenwasservorrat im effektiven Wurzelraum bei Feldkapazität
WPWP mm Bodenwasservorrat bei permanentem Welkepunkt
Wpfl mm pflanzenverfügbarer Bodenwasservorrat als Summe aus WnFK,We und der kapillarenAufstiegsmenge
Wrel Relativwert des Wasservorrates einer Bodenschicht als Anteil des pflanzennutzbarenBodenwasservorrates in % (relative Bodenfeuchte)
We dm Ausschöpfungstiefe
∆W mm Speicheränderung im Wasservorrat
z m Höhe bzw. Tiefe über/unter der Erdoberfläche, auch als Index bei Messwertenangegeben
z0 m Rauigkeitshöhe, physikalischer Parameter zur Beschreibung der Unebenheit derLandnutzungen
z0m , z0T,q m Rauigkeitshöhe für Impuls bzw. Wärme und Wasserdampf
zA dm kapillare Aufstiegshöhe des Grundwassers
zB m Bewuchshöhe, mittlere Höhe eines Pflanzenbestandes zum Termin
zG dm Flurabstand der Grundwasseroberfläche
zmv , zmT,q m Messhöhe der Windgeschwindigkeit bzw. der Lufttemperatur und -feuchte
zWe dm effektive Durchwurzelungstiefe
Θ Bodenfeuchte als Wasservolumenanteil in % des Bodenvolumens
ΘFK Volumenanteil des Wassers im Boden in % bei Feldkapazität, der in derungesättigten Bodenzone maximal gegen die Schwerkraft gehalten werden kann
ΘPWP Volumenanteil des Wassers im Boden in % bei permanentem Welkepunkt, der nichtmehr von den Pflanzen zur Transpiration genutzt werden kann
ΘnFK Volumenanteil des Wassers im Boden in % bei nutzbarer Feldkapazität
α kurzwellige solare Albedo (Reflexionskoeffizient) der Oberfläche, abhängig vonderen Beschaffenheit
γ hPa K-1 Psychrometerkonstante (γ = 0,65 hPa K-1)
γ* hPa K-1 modifizierte Psychrometerkonstante
κ von Kármán-Konstante (κ = 0,41)
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
XII
Formel-zeichen
physikalischeEinheit
Bedeutung
λ geographische Länge
ρ kg m-3 Dichte, auch in g cm-3, z. B. Luftdichte ρL = 1,20 kg m-3 bei 20 °C und 1013 hPa,Wasserdichte ρW ≈ 1 g cm-3
σ W m-2 K-4 Stefan-Boltzmann-Konstante, σ = 5,67⋅10-8 W m-2 K-4
ϕ geographische Breite
Erläuterungen zur Schreibweise der Formelzeichen:
überstrichenes Formelzeichen (z. B. ETa ) bedeutet: vieljähriger Mittelwert einer Größe, hier mittlerejährliche tatsächliche Verdunstungshöhe, etwa fürdie Normalperiode 1961-1990
∆ (z. B. ∆W) bedeutet: zeitliche Änderung der Größe, hier desWasservorrates W
Zeitangabe als Index (z.B. e14) bedeutet: Messwert der angegebenen Stunde, hier desDampfdruckes um 14 Uhr
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1
1 Veranlassung und ZielstellungFür die Karteninhalte „Tatsächliche Verdunstungshöhe“ und „Abflusshöhe“ des HydrologischenAtlas von Deutschland (HAD) waren räumlich hoch aufgelöste (1 km2-Raster) vieljährigeMittelwerte (1961/1990) dieser Wasserhaushaltsgrößen für ganz Deutschland zu bestimmen. Dasanzuwendende Verfahren musste einerseits die physikalischen Prozesse, die die beiden Größenbestimmen, berücksichtigen, andererseits die deutschlandweite Verfügbarkeit der jeweiligenEinflussgrößen beachten.Verdunstung ist im Gegensatz zum Niederschlag ein kontinuierlicher Prozess, bei dem Wasserbei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes von der flüssigen in die dampfförmige Phaseüberführt wird. Beide Wasserhaushaltsgrößen stehen in enger Wechselbeziehung zueinander.Die Wasserzufuhr durch den Niederschlag ermöglicht erst den Verdunstungsvorgang, deraufgrund des Energieangebots angeregt wird. Dieser Vorgang wird vom Tagesrhythmus(Temperatur, Strahlung) beeinflusst. Das verdunstete Wasser kann durch Konvektion in höhereSchichten der Atmosphäre transportiert werden, in denen es zur Wolkenbildung beiträgt, waswiederum Voraussetzung für die Niederschlagsentstehung ist.
Der Niederschlag wird durch Benetzung von Pflanzenoberflächen zwischengespeichert(Interzeption), fließt als Oberflächenabfluss in den Vorfluter oder infiltriert direkt in denUntergrund. Ein Teil des infiltrierten bzw. gespeicherten Wassers kann durch Evaporation vomBoden, Transpiration von den Pflanzen bzw. Interzeptionsverdunstung von den Oberflächen indie Atmosphäre zurück gelangen, der Rest versickert (Bild 1).
Bild 1: Einflussfaktoren auf die Abflusshöhe
Das Sickerwasser, das an weniger durchlässigen Schichten gestaut wird, tritt abhängig vomGefälle als Zwischenabfluss an der Oberfläche oder in einem Vorfluter wieder aus. ZurGrundwasserneubildung trägt nur der Anteil des Sickerwassers bei, der in den Grund-wasserraum eintritt. Der Grundwasserabfluss speist letztlich den Vorfluter auch inniederschlagsarmen Zeiten. Der kapillare Aufstieg aus dem Grundwasserraum kann zurverbesserten Wasserversorgung der Vegetation auf grundwassernahen Standorten beitragen.
Niederschlag
Interzeptions-verdunstung
Infiltration
Zwischenabfluss
Transpiration
Evaporation
Kapillarer AufstiegSickerwasser Vorfluter
Oberflächen-abfluss
Grundwasserabfluss
Grundwasserneubildung
Abflussbildungsprozess Abflusskonzentrationsprozess
Beregnung
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
2
Über mehrere Jahre betrachtet bestimmt die Differenz der beiden Größen Niederschlag undVerdunstung das Volumen des wasserwirtschaftlich maximal zur Verfügung stehenden Wassers,den Gesamtabfluss unterhalb des verdunstungsbeeinflussten Bereichs, also das Grundwasser. DieNutzbarkeit aber ist durch Faktoren wie Ergiebigkeit, Beschaffenheit, ökologische Aspekte bzw.Speichermöglichkeit eingeschränkt. Die Gesamtabflusshöhe wird durch den korrigiertenNiederschlag begrenzt. In niederschlagsarmen Gebieten und in Bereichen flurnahenGrundwassers kann die Verdunstung den korrigierten Niederschlag übertreffen, sodass negativeAbflusswerte auf Zehrgebiete hinweisen.
Bei Flächeneinheiten von 1 km2 Größe kann davon ausgegangen werden, dass Landober-flächenabfluss, Zwischenabfluss und Grundwasserabfluss weitgehend in der Gesamtabflusshöhedes Flächenelements enthalten sind. Die mittlere Abflusshöhe an der Messstelle des Vorflutersergibt sich als arithmetisches Mittel der Werte der Gesamtabflusshöhe aller Flächeneinheiten deszugehörigen Einzugsgebietes.
Die Verdunstung lässt sich im Gegensatz zum Niederschlag nur mit großem messtechnischenAufwand erfassen. Wägbare Lysimeter stellen eine der wenigen Möglichkeiten dar, dieVerdunstung für verschiedene Bodenarten und bestimmte Landnutzungen (zum Beispiellandwirtschaftliche Kulturen) kontinuierlich bzw. als Tageswert in mm d-1 ausreichend genauund vor allem direkt zu ermitteln. Für Waldflächen liefern nicht wägbare Lysimeter vieljährigeMittelwerte der Verdunstung als Jahressumme in mm a-1. Diese Messungen müssen aufgrundihrer Komplexität auf einige wenige Versuchsstationen beschränkt bleiben. Indirektemeteorologische Verfahren, zu denen auch die Bestimmung der Gras-Referenzverdunstung zählt,basieren auf Energie- und Wasserbilanzbetrachtungen, wobei der Zusammenhang zwischen dendirekt zu messenden meteorologischen Elementen und dem Verdunstungswärmestrom bzw. demWasserdampftransport in der bodennahen Luftschicht berücksichtigt wird.
Zur flächendeckenden Bestimmung mittlerer Jahressummen der tatsächlichen Verdunstungshöheist die Übertragung der gewonnenen Ergebnisse vom Standort auf Gebiete ähnlicherGebietseigenschaften erforderlich.
Für jedes Rasterfeld von 1 km2 (siehe 3.2.1) lässt sich dann die Bilanz
Abflusshöhe = korr. Niederschlagshöhe – tatsächliche Verdunstungshöhe (in mm a-1)
bestimmen. Beregnung auf landwirtschaftlichen Bewässerungsflächen wird an denentsprechenden Stellen dem Niederschlag zugeschlagen. Vorratsänderungen im Wasserspeicherwerden nicht berücksichtigt.
Die methodischen Grundlagen für das erforderliche Berechnungsverfahren wurden in dem vonder Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt GL 242/1-2 „Entwicklung vonVerfahren zur Berechnung langjähriger Mittelwerte der flächendifferenzierten Abflussbildung“erarbeitet und in einem Abschlussbericht dokumentiert (GLUGLA, ET AL., 1999 b).
Für Methodik und Verfahren wurden umfangreiche Lysimeter- und Klimabeobachtungenausgewertet und genutzt. Eine enge Kooperation erfolgte daher mit dem GeschäftsfeldHydrometeorologie des Deutschen Wetterdienstes sowie mit den Betreibern der einzelnenLysimeterstationen.
Das Wasserhaushaltsverfahren BAGLUVA (Verfahren nach BAGROV und GLUGLA zurBestimmung vieljähriger Mittelwerte von tatsächlicher Verdunstungs- und Abflusshöhe) wurdespeziell zur Anwendung für den Hydrologischen Atlas Deutschland entwickelt und istdementsprechend auf die vorliegenden Eingangsgrößen ausgerichtet. Lassen sich für andereUntersuchungen die jeweiligen Daten in derselben Form aufbereiten, so ist es vielfältig fürweitere Wasserhaushaltsrechnungen anwendbar.
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
3
2 Methodische Grundlagen des WasserhaushaltsverfahrensBAGLUVA
2.1 Anforderungen
Angesichts der Vielfalt der Standortbedingungen bezüglich Klima, Boden und Landnutzungkönnen standort- bzw. rasterbezogene mittlere tatsächliche Verdunstung und mittlererGesamtabfluss messtechnisch nur für ausgewählte Flächeneinheiten erfasst werden. ÜberBeziehungsgleichungen werden die durch Wechselbeziehungen zwischen den EinflussgrößenKlima, Boden, Landnutzung einerseits und den Wasserhaushaltsgrößen andererseitscharakterisierten Flächeneinheiten mit jeweils ähnlichem hydrologischem Verhalten (Hydrotope)auf andere Hydrotopflächen übertragen.
Der vieljährige Mittelwert des Gesamtabflusses R lässt sich aus der Differenz der Mittelwertevon korrigiertem Niederschlag korrP und tatsächlicher Verdunstung ETa ermitteln:
ETaPR korr −= (1)
Eine Korrektur des systematischen Fehlers des gemessenen Niederschlags wegen Windeinflusssowie Benetzungs- und Verdunstungsverlusten ist unerlässlich, damit dieser Fehler nicht auf diewasserhaushaltlich ermittelte tatsächliche Verdunstung übertragen wird.
Der standortbezogenen Ermittlung der tatsächlichen Verdunstung ETa aus denHaupteinflussgrößen Klima, Boden, Landnutzung liegt ein methodisches Konzept zugrunde, dasden Einfluss von Wasser und Energie einschließlich ihrer begrenzenden Verfügbarkeit auf dietatsächliche Verdunstung berücksichtigen muss. Folgende Randbedingungen sind zu erfüllen:
bei begrenzter Wasserverfügbarkeit 0Pkorr → : korrPETa →bei sehr hoher Wasserverfügbarkeit ∞→korrP (2)bzw. bei begrenzter Energieverfügbarkeit 0maxET → � maxETETa →
maxET ist für die jeweiligen Standort- bzw. Gebietsbedingungen die mittlere maximale Ver-dunstung bei ausreichender Wasserverfügbarkeit. Sie entspricht der aus dem Energieangebotgenutzten Energie und ist insbesondere von der Albedo und von den Bedingungen des Feuchte-austausches zwischen den Pflanzen (Art, Höhe und Dichte) und der Atmosphäre abhängig.
Die Verfahrensparameter müssen physikalischen Bezug haben, damit Auswirkungen von Para-meterveränderungen auf das Berechnungsergebnis voraussagbar sind. Die Verfahrensparameterwerden anhand von in situ-Beobachtungen (insbesondere Lysimetermessungen) festgelegt.
An die Genauigkeit der Werte korrP und ETa müssen hohen Anforderungen gestellt werden, dasich infolge der Fehlerfortpflanzung bei der Ermittlung von R aus der Differenzbildung
ETaPkorr − insbesondere bei geringen Gesamtabflüssen R hohe Werte des relativen und absolu-ten Fehlers ergeben. Ein Berechnungsbeispiel in Bild 2 und 3 verdeutlicht diesen Tatbestand.Dabei beinhalten die angenommenen Fehler für die tatsächliche Verdunstung ETa auch Fehlerbei der Bestimmung der maximalen Verdunstung. Auf Sensitivitätsanalysen in Abschnitt 2.5.4.4wird verwiesen.
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4
Bild 2: Beispiel für den Zusammenhang vieljähriger Mittelwerte der Wasserhaushaltsgrößen undfür die Fehlerfortpflanzung (Annahme n = 2,0)
Bild 3: Maximaler relativer Fehler R∆ von R bei angenommenem Fehler ±10 % für korrP und ETa
Angesichts der hohen Genauigkeitsanforderungen müssen die über standortbezogene Beobach-tungen ermittelten Verfahrensparameter nach Vergleichen von Mess- und Berechnungswertendes Gesamtabflusses geschlossener Flusseinzugsgebiete validiert bzw. nachgeeicht werden(Abschnitt 4).
Der mittlere Gebietswert berechneter Abflüsse ist das (ggf. flächenanteilige) arithmetische Mittelder Abflusswerte aller standort- bzw. rasterbezogenen Teilflächen des Gebietes. Dabei wird ver-tikale Speisung des Fließgeschehens ohne „laterale Vernetzung“ der Teilflächen (1 km2) voraus-gesetzt.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
160%
180%
200%
0 500 1000 1500
∆ R
Pkorr [mm/a]
0
500
1000
1500
0 500 1000 1500Pkorr [mm/a]
P kor
r, ET
max
, ETa
, R [m
m/a
]
+10%
-10%
R
+10%
-10%
ETa
ETmax
Pkorr
∆R
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5
2.2 Methodenauswahl
Der Wahl des methodischen Grundkonzeptes wurden vergleichende Untersuchungen vongängigen Verfahren zur Berechnung mehrjähriger Mittelwerte der tatsächlichen Verdunstung,der Grundwasserneubildung bzw. des Gesamtabflusses vorangestellt (GLUGLA und MÜLLER,1997). Dabei zeigte sich, dass lineare Regressionsbeziehungen nicht den genanntenRandbedingungen (2) genügen und die Gleichungen nur für einen begrenztenAnwendungsbereich (z. B. norddeutsches Tiefland) gelten. Dieser Anwendungsbereich istklimatologisch weitgehend durch einen engen Bereich des Quotienten
Wasserverfügbarkeit korrP
Energieumwandlung und -verfügbarkeit maxET
festgelegt. Unter den in Deutschland vorliegenden unterschiedlichen Bedingungen zeigt dieserQuotient jedoch einen breiten Schwankungsbereich:
0,7 < maxET/Pkorr < 8Weitere Probleme bei der Anwendung der linearen Regressionsbeziehungen betreffen die bisherunzulänglichen Eingangsdaten: unkorrigierter Niederschlag, landnutzungsunabhängigepotentielle Verdunstung.
Auch bei den Verfahren mit nichtlinearen Beziehungen zwischen den Wasser- und Energiehaus-haltsgrößen (BUDYKO, OLDEKOP, SCHREIBER, U.A.) wurde die Vielfalt der geographischenBedingungen der Flusseinzugsgebiete nicht einbezogen. Dagegen berücksichtigte BAGROV(BAGROV, 1953, 1954) in seiner Berechnungsgleichung die unterschiedlicheWasserspeicherfähigkeit verschiedener geographischer Regionen in Rußland und führte densog. „Effektivitätsparameter n“ ein. Dieser regional gegliederte Parameter n wurde in den letztenJahrzehnten für unterschiedliche Standortbedingungen spezifiziert sowie durchLysimeterbeobachtungen quantifiziert und damit das Verfahren für Wasserhaushalts-untersuchungen im Gebiet der neuen Bundesländer umfassend nutzbar gemacht (GLUGLA undKÖNIG, 1989; GLUGLA, ET AL., 1999). Als bewährtes Verfahren wurde das BAGROV-Verfahrenletztlich favorisiert und für die Anwendung im Rahmen des HAD weiter entwickelt.
2.3 Das BAGROV-Verfahren Haupteinflussgrößen und Weiterentwicklung des Verfahrens
Grundlage des Verfahrens ist die von BAGROV konzipierte Differenzialgleichung in erweiterterForm
n
korr ETETa
PdETad
��
�
�
��
�
�−=
max1 (3)
Die Abhängigkeit des Quotienten ETa / maxET von korrP / maxET ist in Bild 4 bzw. in derAnlage, Bild 7.1, graphisch dargestellt. Wesentliche Einflussgrößen auf den vieljährigenMittelwert der tatsächlichen Verdunstung ETa sind zunächst die Wasserverfügbarkeit aus demmittleren korrigierten Niederschlag korrP und die Energieverfügbarkeit ausgedrückt durch diemittlere maximale Verdunstung maxET bei ausreichender Wasserverfügbarkeit. Bestimmendfür die Wasserverfügbarkeit ist die Höhe der stochastisch verteilten Niederschläge, die durch denBodenspeicher und teilweise durch den Interzeptionsspeicher für die Verdunstung „längerfristigvorgehalten“ werden.
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6
Die unterschiedlichen Standortbedingungen für die Nutzung des Wasser- und Energieangebotswerden durch den „Effektivitäsparameter n“ als weitere wesentliche Größe der BAGROV-Gleichung quantifiziert. Für den Parameter n sind vorrangig der
− Interzeptionsspeicher mit der Interzeptionskapazität und der
− Bodenspeicher mit der nutzbaren Feldkapazitätbestimmend. Über weitere Einflüsse auf den Parameter n wird in Abschnitt 2.6 berichtet.
Aus Bild 4 wird deutlich, dass sich die unterschiedlichen Standortbedingungen über denParameter n am stärksten etwa im Bereich der Abszissenwerte
4180 ,maxET
P, korr <<
auf die Variabilität des Quotienten maxET/ETa auswirken. Für diesen Bereich werden dahervorrangig in situ-Messungen zur Quantifizierung von n genutzt.
Mit häufigeren und höheren Niederschlägen werden die Speicher insbesondere derBodenspeicher so gefüllt, dass die Speicherkapazität immer weniger Einfluss auf dieWasserverfügbarkeit hat. Dieses führt zur Bündelung der BAGROV-Kurven bestimmtenParameterwertes n im Bereich maxET/ETa ≈ 1 (Bild 4). Die tatsächliche Verdunstung ETanähert sich der maximalen Verdunstung maxET .
Bei geringem Niederschlag bzw. hohem Energieangebot ( maxET ) bündeln sich die Kurven,sodass maxET/PmaxET/ETa korr≈ und somit korrPETa ≈ wird. Fast der gesamte Niederschlagverdunstet in diesen Gebieten wieder.
Die Randbedingungen (2) sind somit erfüllt.
Bild 4: Graphische Darstellung der von GLUGLA überarbeiteten BAGROV-Beziehung, und desEinflusses der Landnutzung (Effektivitätsparameter n nach BAGROV)
0
0,5
1
0 1 2 3
53
n = 8
21,6
1,00,7
0,5
0,3
0,2
0,1
ETmax
ETa
ETmax
=� n
1d
��
��
�−
BAGROV - Beziehung
ETad ETa
Pkorr
ETmax
Pkorr
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7
Die überstrichenen Formelzeichen stehen für vieljährige Mittel des korrigierten NiederschlageskorrP , der maximalen Verdunstung maxET und der tatsächlichen Verdunstung ETa .
Die BAGROV-Gleichung (BAGROV, 1953) wird genutzt, mit den Größen korrP , maxET und n dietatsächliche Verdunstung ETa zu berechnen. Die Gesamtabflusshöhe R ergibt sich dann ausGleichung 1.
Für die Anwendung des BAGROV-Verfahrens auf ganz Deutschland wurden die Verfahrensteileeingehend untersucht und erweitert, die bisher noch nicht ausgereift waren. Dieses betrifft u. a.die
- Berücksichtigung der Niederschlagskorrektur und der veränderten Standortbedingungen beiSchnee,
- landnutzungsabhängige Energieverfügbarkeit in Form der maximalen Verdunstung,
- Spezifizierung des Parameters n in Abhängigkeit unterschiedlicher Speichereinflüsse(Interzeption, Boden ...),
- Quantifizierung der Verfahrensparameter durch Einbeziehung von Ergebnissen ausumfangreichen Lysimeterbeobachtungen,
- Anwendung auf Hangstandorte.
2.4 Wasserverfügbarkeit
2.4.1 NiederschlagsdargebotDer Niederschlag in flüssiger und fester Form ist die Hauptquelle der Wasserverfügbarkeit. Dieim Routinemessnetz des Deutschen Wetterdienstes (DWD) mit dem Hellmann-Regenmesser in1 m Aufstellungshöhe gemessenen Niederschläge (P1) sind durch Wind- sowie Benetzungs- undVerdunstungsverluste mit systematischen Fehlern behaftet, die zu unterschätzten Niederschlags-werten führen. Daher wurden vom DWD die Niederschläge (P1) nach dem Verfahren vonRICHTER (1995) flächendeckend für die Messstellen in Deutschland korrigiert.
An den Lysimeterstationen werden die Niederschläge überwiegend im Bodenniveau gemessen(P0). Infolge des dadurch verminderten Windeinflusses auf die Messung ist der Messfehler nuninsgesamt deutlich niedriger. Der Restfehler vor allem durch Benetzungs- und Verdunstungs-verlust wird entsprechend einer Verfahrensvariante nach RICHTER (1997) korrigiert. Dazuwerden die Tagessummen in Abhängigkeit von der Niederschlagsart (flüssiger, fester oderMischniederschlag) und der Niederschlagsmenge je nach Jahreszeit um die folgenden Beträgeerhöht:
Tabelle 1: Korrekturvorschrift für bodengleiche Niederschlagsmessungen (nach RICHTER, 1997)Sommer (April bis September) Winter (Oktober bis März)
flüssiger oder Mischniederschlag fester NiederschlagNiederschlagsklasse
[mm d-1]Korrektur[mm d-1]
Niederschlagsklasse[mm d-1]
Korrektur[mm d-1]
Niederschlagsklasse[mm d-1]
Korrektur[mm d-1]
0,1 - 0,4 +0,1 0,2 - 1,7 +0,1 ≥ 0,5 +0,10,5 - 1,7 +0,2 1,8 - 6,7 +0,21,8 - 4,4 +0,3 ≥ 6,8 +0,34,5 - 8,7 +0,4
≥ 8,8 +0,5
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8
Ein Vergleich der an Lysimeterstandorten parallel gemessenen und korrigierten Niederschläge inBodenniveau (P0) und in 1 m Aufstellungshöhe (P1) zeigt sehr gute Übereinstimmung der jeweilskorrigierten Werte für flüssige Niederschläge. Bei festen Niederschlägen treten etwas größereAbweichungen auf (Bilder 5 und 6, Station Brandis, Annahme einer leicht geschütztenStationslage).
Bild 5: Korrigierte Werte bei flüssigem Niederschlag an der Lysimeterstation Brandis unterder Annahme einer leicht geschützten Stationslage (Messung in 1 m Höhe: P1, im Bodenniveau: P0)
Bild 6: Korrigierte Werte bei festem Niederschlag an der Lysimeterstation Brandis unter derAnnahme einer leicht geschützten Stationslage (Messung in 1 m Höhe: P1, im Bodenniveau: P0)
Niederschlagskorrekturen wurden für alle verwendeten Stationen mit wägbaren Lysimetern undtäglichen Beobachtungen durchgeführt. Über die dabei gewonnenen Erfahrungen zur Korrekturvon Lysimeterdaten bezüglich Niederschlag und tatsächlicher Verdunstung wurde eingesonderter Bericht für den ATV-DVWK (Fachgruppe „Verdunstung“) erarbeitet (JANKIEWICZ,1998).
Die Korrektur der Niederschlagsmessungen (Erhöhung des Messwertes) führt bei wägbaren Ly-simetern zu einer adäquaten Erhöhung der sonst wasserhaushaltlich zu niedrig ermittelten Werteder Verdunstung. Damit wird ein Vergleich der mit Lysimetern ermittelten und korrigiertenVerdunstung mit der nach klimatologischen Verfahren berechneten Verdunstung erst sinnvoll.
Rasterbezogene (1 km2) Daten des korrigierten Niederschlags liegen für ganz Deutschland imdigitalen Datenspeicher „korrigierter Niederschlag“ des DWD als Monats- und Jahresmittel1961/1990 vor bzw. sind als Jahres- und Halbjahreswerte in den Kartenblättern 2.5 (Mittlere
Flüssiger Niederschlag
y = 0,9902x - 0,0196
010203040506070
0 10 20 30 40 50 60 70PO [mm/d]
P 1 [m
m/d
]
Fester Niederschlag
y = 1,1451x + 0,0706
02468
101214
0 2 4 6 8 10 12 14PO [mm/d]
Als Messfehleridentifiziert
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9
korrigierte jährliche Niederschlagshöhe) und 2.6 (Mittlere korrigierte Niederschlagshöhe derhydrologischen Halbjahre) zum „Hydrologischen Atlas von Deutschland“ (HAD, 1998)dargestellt.
2.4.2 Zusätzliches Wasserdargebot durch BeregnungQuellen zusätzlicher Wasserverfügbarkeit für die tatsächliche Verdunstung sind die Beregnunglandwirtschaftlicher Nutzflächen.
Gegenüber unberegneten Standorten ist die mittlere tatsächliche Verdunstung beregneter gärtne-rischer und landwirtschaftlicher Kulturen insbesondere in niederschlagsarmen Gebieten deutlich höher. Dieses wird verursacht durch
− erhöhte Verfügbarkeit von Bodenwasser,
− höhere Interzeptionsverdunstung der Pflanzen,
− erhöhte maximale Verdunstung infolge größerer Pflanzendichte und -höhe, verbunden mitverminderter Albedo.
Durch die erhöhte Speicherung und Verfügbarkeit von Wasser wird der Standortparameter n desBAGROV-Verfahrens modifiziert. Weitere Einflüsse auf den Parameter n ergeben sich daraus,dass zusätzlich Wasser zu Zeiten hoher Energieverfügbarkeit während des Sommerhalbjahreszur Verfügung steht. Über diese Einflüsse in Verbindung mit der Auswertung vonBeobachtungen beregneter Lysimeter wird in Abschnitt 2.8 berichtet.
In der Beregnungspraxis ist eine optimale Steuerung der Bodenfeuchte unterhalb Feldkapazitätnicht möglich, da Niederschläge für mehrere Tage nicht mit Sicherheit voraussagbar sind. Daherbewirkt die Beregnung neben erhöhter Evapotranspiration auch erhöhte Versickerung („Rück-flussquote“). Bei gebietsbezogenen Wasserbilanzen sind Entnahmen für die Bereitstellung vonBeregnungswasser somit mit erhöhter Evapotranspiration und erhöhter Versickerung unterhalbdes verdunstungsbeeinflussten Bodenraumes zu verrechnen.
2.4.3 Zusätzliches Wasserdargebot durch Kapillarwasseraufstieg aus flurnahemGrundwasser
Bei der Verdunstungsberechnung ist die Menge des während des Sommerhalbjahres in die durchEvapotranspiration beeinflusste Ausschöpfungszone kapillar aufgestiegenen Wassers von derOberfläche flurnahen Grundwassers [mm a-1] im Mittel zu bestimmen. Die kapillareAufstiegsrate KR [mm d-1] bis zur Untergrenze der Ausschöpfungszone Wez wird vom AbstandzA zwischen der Grundwasseroberfläche und dieser Untergrenze sowie von denBodeneigenschaften (Boden-, Torfart, Lagerungsdichte) beeinflusst (7).
Sie hängt vor allem von den Saugspannungsbedingungen und damit der Bodenfeuchte an derUntergrenze der Ausschöpfungszone ab. Nach bodenkundlichen Dokumentationen (HENNINGS,1994, DVWK, 1996) werden für die Aufstiegsraten und die einzelnen Mineralböden folgendeSaugspannungswerteϕ angenommen:
Sande: ϕ zwischen 100 und 300 hPaTone: ϕ bei 700 hPaLehme: ϕ zwischen 350 und 600 hPaSchluffe: ϕ zwischen 250 und 300 hPa.
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10
Die Bereiche von ϕ entsprechen für die Mineralböden einem Bodenfeuchtewert von etwa 50 bis60 % der nutzbaren Feldkapazität. Die nutzbare Feldkapazität entspricht der Differenz derVolumenfeuchte bei Feldkapazität (ϕ ≈ 60 hPa) und permanentem Welkepunkt (ϕ ≈15000 hPa).
Für die o.g. vier Mineralbodengruppen und für jeweils ausgewählte nFKΘ -Werte wurden ausWertetabellen (DVWK-Merkblatt 238, 1996, Tabelle 9.13) Abhängigkeiten zwischen derkapillaren Aufstiegsrate KR und dem Abstand zA zwischen der Untergrenze derAusschöpfungszone und der Grundwasseroberfläche abgeleitet und algorithmiert. Bild 8 zeigtdiese Abhängigkeiten für die Gruppe der Sande. Die Algorithmen für sämtliche Mineralbödenund die Torfe sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
Für die Torfböden (Nieder- bzw. Hochmoor) wird jeweils nur eine Abhängigkeit KR = Fkt (zA)gewählt.
Tabelle 2: Kapillare Aufstiegsrate KR (mm d-1) in Abhängigkeit vom Abstand zA (dm) zwischenGrundwasseroberfläche und Unterkante der Ausschöpfungszone Web ⋅ (dm) für Bodenarten undausgewählte nFKΘ -Werte (Vol.%)
Bodenart (Mineralböden) nFKΘ (Vol.%) BerechnungsgleichungSande 8
101316182022
Az,,KR ⋅−⋅= 86510e660124Az,,KR ⋅−⋅= 81200e810129Az,,KR ⋅−⋅= 75770e360145Az,,KR ⋅−⋅= 67210e000128
Az,,KR ⋅−⋅= 51750e46781Az,,KR ⋅−⋅= 42170e02269
Az,,KR ⋅−⋅= 38970e870105Schluffe 21
2326
Az,,KR ⋅−⋅= 34590e18338Az,,KR ⋅−⋅= 33580e68060Az,,KR ⋅−⋅= 29100e56272
Lehme 1415161718
7362229105 ,Az,KR −⋅=
9247209199 ,Az,KR −⋅=
9481,231,300 −⋅= AzKR7820237376 ,
Az,KR −⋅=7407,258,583 −⋅= AzKR
Tone < 15≥ 15
420310683 ,Az,KR −⋅=
5103113010 ,Az,KR −⋅=
Torfart (Organische Böden) BerechnungsgleichungNiedermoorHochmoor
21262535215468210240 23 ,z,z,z,KR AAA +⋅−⋅+⋅−=
3066782722635721030 23 ,z,z,z,KR AAA +⋅−⋅+⋅−=
Anmerkung: Bei degradierten Mooren ohne Grundwasserbeeinflussung wird ≈nFKΘ 15 Vol.% gesetzt.
Für die auf die Randbedingung des Kapillarwasseraufstiegs bezogene mittlereAusschöpfungstiefe Wez gilt
WebzWe ⋅= (4)
mit den angegebenen Parameterwerten von b, sodass
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
11
,Webzz GA ⋅−= (5)
wobei Gz der mittlere sommerliche Grundwasserflurabstand und We die mittlere sommerlicheAusschöpfungstiefe sind. Durch den parallelen Jahresgang von zG und We mit Minimalwerten imWinter und Maximalwerten im Sommer entspricht der mittlere jährliche Differenzwertnäherungsweise auch dem Differenzwert des Sommerhalbjahres. We ist die Ausschöpfungstiefe,die sich als Mittel der maximalen monatlichen Ausschöpfungstiefe eines jeden Jahres allerBeobachtungsjahre ergibt. Grundlage hierfür sind die Tageswerte der Ausschöpfungstiefe, diesich aus Lysimeterdaten für die Verdunstung ETa und aus Klimadaten sowie mit dem Parameterf für die maximale Verdunstung ETmax bei „inverser“ Anwendung des DISSE-Modells (Bild 28)ergeben. Mit dem Quotienten ETa/ETmax aus Lysimeter- und Klimadaten wurde der Gang derBodenfeuchte nach DISSE (1995) berechnet und hierzu die auf nFKΘ (Vol.-%) bezogeneAusschöpfungstiefe We ermittelt. Im Ergebnis dieser Untersuchungen sind für die einzelnenLandnutzungseinheiten die Beziehungsgleichungen für die We -Werte in Abhängigkeit von
KnFΘ , von der Pflanzenhöhe zB und vom Umtriebsalter UA ermittelt worden (Anhang 7.2,Tabelle 7.2). Im Festgesteinsbereich wird durch We die Mächtigkeit der Lockergesteinsauflageüber dem Festgestein begrenzt.
Damit an der Unterkante der Ausschöpfungszone die für die Anwendung der Tabelle 9.13 desDVWK-Merkblattes 238 (1996) erforderliche Saugspannung von etwa 50 % der nutzbarenFeldkapazität nFKΘ gilt, muß die mittlere maximale Ausschöpfungstiefe We etwa verdoppeltwerden ( Web ⋅ mit b~2). Hierbei wird die Schicht We (ohne nutzbare Bodenfeuchte) mit derdarunter liegenden Schicht gleicher Mächtigkeit (aber maximaler Bodenfeuchte FKΘ ) zurwirksamen Ausschöpfungstiefe Web ⋅ zusammengefasst (vgl. Bild 7). Im Einzelnen werdenfolgende b-Werte verwendet:
b = 2 bei vegetationslosem Boden,Ackerland, Grünland
b = 1,3 bei Wald
Web ⋅ = 4 dm bei Niedermoor
Web ⋅ = 2 dm bei Hochmoor
Die mittlere kapillare Aufstiegsmenge KR [mm] für die Hauptwachstumszeit D in Tagen [d]berechnet sich aus der kapillaren Aufstiegsrate KR [mm/d] zu
KRDKR ⋅= (6)
Bei einer Bodenfeuchte FKΘ im Bereich der Feldkapazität (Gleichgewichtszustand) imWinterhalbjahr und nach sommerlichen Starkniederschlägen tritt kein kapillarer Wasseraufstiegauf. Tage mit kapillarem Wasseraufstieg sind daher insbesondere Tage der Hauptwachstums-periode ohne nennenswerte Niederschläge (z.B. Tage mit korrP < 5 mm d-1). Für die einzelnenLandnutzungseinheiten gelten in Mitteleuropa bei Abzug der Tage mit stärkeren Niederschlägennäherungsweise folgende Werte der mittleren Dauer der Hauptwachstumsperiode D :
≈D 60 d bei Halmfrüchten
≈D 90 d bei Hackfrüchten
≈D 70 d bei Ackerland
≈D 120 d bei Wald- und Dauergrünland
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
Bild 7: Schema zur Berechnung des kapillaren Wasseraufstiegs aus flurnahemGrundwasser
BildGruunte
Grundwasseroberfläche
zG
zA
zWe = b. We
We
Gz : Grundwasserflurabstand
We : mittlere maximale AusschöpfungstiefeWebzWe ⋅= : wirksame Ausschöpfungstiefe
Az : Abstand zwischen Grundwasseroberfläche und Untergrenze der
wirksamen Ausschöpfungstiefe Wez
Webzz GA ⋅−=
12
8: Kapillare Aufstiegsrate KR in Abhängigkeit vom Abstand zA zwischenndwasseroberfläche und Untergrenze der Ausschöpfungszone WebzWe ⋅= für Sanderschiedlicher nutzbarer Feldkapazität
01
23
45
67
89
10
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
zA [dm]
KR [m
m/d
]
nFK ∼ 22
nFK ~ 20
nFK ~ 18
nFK ~ 16
nFK ~ 13
nFK ~ 10
nFK ~ 8
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
13
2.5 Energieverfügbarkeit
Basierend auf der Energiebilanz für die Grenze Atmosphäre Erdoberfläche, die im We-sentlichen durch die vier Terme Nettostrahlung Rn, sensibler Wärmestrom H, BodenwärmestromG und latenter Wärmestrom λET beschrieben wird:
λET = Rn – H – G
lässt sich die PENMAN-MONTEITH-Gleichung zur Berechnung der tatsächlichen Verdunstung ETaeiner beliebigen Vegetationsfläche ableiten (Beschreibung der einzelnen Parameter siehe An-hang):
mmm 1000
d s 864001
rr1s
reTecGRns
1ETaw
a
c
a
m2m2spL
ργ
ρ
��
����
�++
−+−=
)()( (7)
mit ETa : Evapotranspiration [mm d-1]
λ : latente Verdunstungswärme [J kg-1]
s : Änderung des Sättigungsdampfdrucks mit der Temperatur [hPa K-1]
Rn : Strahlungsbilanz am Erdboden [W m-2]
G : Bodenwärmestrom [W m-2]
ρL : Luftdichte [kg m-3]
ρW: Dichte von Wasser [kg m-3]
cp : spezifische Wärme der Luft bei konstantem Druck [J kg-1 K-1]
es(T2m) : Sättigungsdampfdruck [hPa]
T2m : Temperatur in 2 m Höhe [°C]
e2m : Dampfdruck in 2 m Höhe [hPa]
ra : aerodynamischer Widerstand [s m-1]
γ : Psychrometerkonstante [hPa K-1]
rc : Bestandeswiderstand [s m-1]
Die tägliche tatsächliche Verdunstung kann somit allein aus Messwerten an Klimastationen undaus Vegetationsparametern bestimmt werden. Die eingehenden Größen hängen von der geo-graphischen Lage der Station (Globalstrahlung) als auch vom Bestand der zu betrachtendenFläche (reflektierte Strahlung, Ausstrahlung der Erdoberfläche, aerodynamischer und Bestandes-widerstand) ab.
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
14
2.5.1 Gras-ReferenzverdunstungVon der United Nations Food and Agriculture Organization (FAO) wurde die Gras-Referenz-verdunstung ET0 als weltweit einheitlich nach der PENMAN-MONTEITH-Gleichung zubestimmende Verdunstung mit festen Vegetationsparametern empfohlen (ALLEN et al., 1994).Sie ist definiert für eine ausreichend mit Wasser versorgte Fläche mit einheitlich 12 cm hohemGrasbewuchs, einer Albedo von 23 % und einem Bestandeswiderstand von 70 s m-1.
Damit lässt sich Gleichung (7) unter Verwendung fester Vegetationsparameter nutzen, um alleinden Klimaeinfluss auf die Verdunstung zu bestimmen. Für Tageswerte ergibt sich nach Zusam-menfassung der festen Parameter (Ableitung siehe Anlage):
mmm1000
d s 864001
vms3401s
v291208
eTecGRns1ETw
2m
2mm2m2s
pL
0 ργ
ρ
�
���
� ++
−+−=
,
,)()(
[mm d-1]. (8)
Mit dieser Formel wurden bei der Auswertung der Daten von Lysimeterstationen Tageswerte derGras-Referenzverdunstung gerechnet und in Bezug zur gemessenen tatsächlichen Verdunstunggestellt.
Für klimatologische Zwecke wurde von WENDLING (1995) im Rahmen der Erstellung desHydrologischen Atlas von Deutschland eine Formel zur Berechnung vom Monatssummen derGras-Referenzverdunstung abgeleitet, in die neben der Monatsmitteltemperatur und der monatli-chen Sonnenscheindauer (zur Parametrisierung der Globalstrahlung RG) nur noch die oro-graphische Höhe h, ein Küstenfaktor k und die Zahl der Monatstage nM eingehen (weitere Para-meter siehe Gleichung (7) und Anlage 7.1)
h,
)kn,R,(s
sET MG*
000190112506500 +
++
=λγ
[mm mon-1] (9)
Sie entspricht in ihrer Form in etwa der TURC-Formel, die Größenordnungen der beidenVerdunstungsgrößen sind vergleichbar. Für den Zeitraum 1961 bis 1990 wurde die mittlerejährliche Gras-Referenzverdunstung 0ET aus Monatswerten bestimmt, die nach dieserBeziehung (9) berechnet wurden, und als Karte im Hydrologischen Atlas dargestellt (Atlastafel2.12, HAD, 1998). Im digitalen Datenspeicher sind neben den mittleren Jahreswerten auch diemittleren Monatswerte abgelegt.
2.5.2 Grenzen der PENMAN-MONTEITH-GleichungNachfolgend wird gezeigt, unter welchen Voraussetzungen die PENMAN-MONTEITH-Gleichungüberhaupt anwendbar ist und welche Probleme bei der direkten Anwendung der Formel (7) zurBestimmung der maximalen Verdunstung für andere Landnutzungen auftreten.
Die PENMAN-MONTEITH-Gleichung wurde abgeleitet für eine einheitliche Vegetationsfläche un-ter der Voraussetzung fest definierter Vegetationsparameter.
Hierzu zählt der Bestandeswiderstand, der den eigentlichen physiologischen Vorgang der Eva-potranspiration beschreibt und somit für versiegelte Flächen und im Winter bei Vegetationsruheoder Schnee nicht definiert ist.
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
15
Bild 9: Verlauf des Bestandeswiderstandes für zwei Getreidearten, aus Lysimetermessungenabgeleitet (LÖPMEIER, 1983)
Aber selbst für die verschiedenen Vegetationsarten ist eine Festlegung des Bestandeswider-standes, der die tatsächliche Verdunstung zwischen ihrem Maximalwert und Null variieren lässt,nur recht unsicher. Er hat einen ausgeprägten Tagesgang, weshalb die PENMAN-MONTEITH-Be-ziehung (7) streng genommen für jede Stunde einzeln aus den jeweiligen meteorologischen Da-ten gerechnet werden sollte.
Angaben in der Literatur zum Bestandeswiderstand gehen zum Teil weit auseinander undbeziehen sich häufig auf spezielle Untersuchungen (Bild 9).
Der Bestandeswiderstand setzt sich als Summe von Boden-, Wurzel-, Xylem- undBlattflächenwiderstand zusammen, wobei die Begriffe Bestandeswiderstand und Bulk-Stomatawiderstand teilweise gleichgesetzt werden, teilweise aber unterschiedliche Bedeutung inder Literatur haben. Er hängt ab von der Einstrahlung, der Blatttemperatur, dem Sättigungsde-fizit der Luft, dem CO2-Haushalt der Pflanzen, dem Blattwasserpotenzial, Vegetationsart und-alter, der verfügbaren Feuchtigkeit, dem phänologischen Stadium und derBestandesmorphologie. Typische Abhängigkeiten des Stomatawiderstandes von den ersten fünfGrößen zeigt Bild 10 (OKE, 1987). Diese Größen sind in den wenigstens Fällen für diejeweiligen Untersuchungen bekannt.
Bild 10: Typische Abhängigkeiten des Stomatawiderstandes von Licht (photosynthetic photon fluxdensity), Blattflächentemperatur Tleaf, Sättigungsdefizit der Luft vdda, CO2-Konzentration,Blattwasserpotenzial (OKE, 1987)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
10.Mai
20.Mai
30.Mai
9.Jun
19.Jun
29.Jun
9.Jul
19.Jul
29.Jul
8.Aug 1980
RoggenSommerweizen
Stom
atal
resi
stan
ce
Light orPPFD*
Tleaf vdda CO2 Leaf waterpotential
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
16
Durch das Zusammenspiel der verschiedenen in die PENMAN-MONTEITH-Gleichung eingehendenGrößen kann eine Erhöhung des Bestandeswiderstandes von 50 auf 500 s m-1 zu einer auf 10 %reduzierten Verdunstung führen. Das macht deutlich, wie wichtig dieser schwer fassbareParameter ist.
Der aerodynamische Widerstand, der den Transport von sensibler Wärme und Wasserdampfvon der verdunstenden Oberfläche kennzeichnet, wird zum einen bestimmt durch Höhe undStruktur des Bestandes, zum anderen von der Windgeschwindigkeit, die zum Zeitpunkt derVerdunstung am Tage höhere Werte aufweist als in der Nacht. Damit spielen sowohl diephänologische Entwicklung der Vegetation als auch die klimatologische Situation eine Rolle.
Unter der Annahme neutraler Schichtung der Atmosphäre kann der aerodynamische Widerstandwie folgt abgeleitet werden:
m
20
m
0
m lnln
vz
dzz
dz
r q,T
q,T
m
v
a κ
−−
= (10)
mit zmv : Messhöhe der Windgeschwindigkeit [m]
zmT,q : Messhöhe der Lufttemperatur und -feuchte [m]
z0m : Rauigkeitshöhe für den Impuls [m]
z0T,q : Rauigkeitshöhe für Wärme und Wasserdampf [m]
d : Verdrängungshöhe [m]
κ : von Kármán-Konstante 0.41
vm : Windgeschwindigkeit in Anemometerhöhe [m s-1]
• Rauigkeitshöhen z0m, z0T,q
→ z0m beschreibt die Höhe, in der die Windgeschwindigkeit in Bodennähe gegen den Wert 0geht, und ist nur eine Funktion der Oberflächenart
→ z0T,q wird als die Höhe angesehen, in der die Temperatur bzw. Feuchte den Wert an derOberfläche erreicht
• Verdrängungshöhe d→ charakterisiert die von der Vegetation bestimmte Anhebung des Wind- bzw. Temperatur- und
Feuchteprofils .
Bild 11 zeigt den Einfluss der genannten Größen auf die Anhebung des Windprofils übereiner geschlossenen Vegetation.
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
17
Bild 11: Vertikale Windprofile über verschiedenen Flächen (BAUMGARTNER u. LIEBSCHER, 1990)
Gerade für Waldgebiete ist die Bestimmung des aerodynamischen Widerstands in dieser Weiseproblematisch. Windmessungen aus dem Freiland lassen sich nicht einfach übertragen, daslogarithmische Windprofil wird nur in den seltensten Fällen gegeben sein. Zudem hat man esbeim Wald nicht mit einer verdunstenden Oberfläche zu tun, sondern eher mit einem verduns-tenden Raum, der sich je nach Ausdehnung der Baumkronen über einige Meter erstrecken kann.Temperatur- und Feuchteverhältnisse sind im Wald ebenfalls stark modifiziert, weshalb ein be-denkenloses Anwenden der PENMAN-MONTEITH-Gleichung unter diesen Bedingungen vermie-den werden sollte.
Durch Parametrisierung der in den aerodynamischen Widerstand eingehenden Größen tretenzusätzliche Unsicherheiten dieses Wertes auf (Bild 12), die sich hauptsächlich bei geringenWindgeschwindigkeiten und somit überwiegend in den Wintermonaten in der Zeit derVegetationsruhe bei verringerter Verdunstung auswirken.
Bild 12: Aerodynamischer Widerstand ra berechnet mit verschiedenen Parametrisierungsansätzen
Abhängigkeit des aerodynamischen Widerstands ra von verschiedenen Parametrisierungen
der Rauigkeits- und Verdrängungshöhe
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120 140 160Bestandeshöhe hc [cm]
aero
dyna
mis
cher
W
ider
stan
d ra
[s/m
]
WendlingUchijimaPielkeQuast
z0m =0.123*h0.062*h1.08
h/100.163*h+0.021
d =0.67*h1.04*h0.88
2/3*h0.63*h-0.021
z0T,q = 0.1*z0m
v2m = 1 m/s
v2m = 5 m/s
zB
zB zB
zB1,08 zB
0,88
zB/10 zB
0.163*zB+0.021 0.63*zB+0.021
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
18
Besonders bei Halmfrüchten spielt die Veränderung der Albedo im Vegetationsverlauf einegroße Rolle. Bild 13 zeigt das Verhältnis der nach der PENMAN-MONTEITH-Beziehungberechneten Tageswerte der Verdunstung unter Berücksichtigung veränderter Albedo undVegetationshöhe zur Gras-Referenzverdunstung. Die Parameter haben gegenläufige Wirkung inder Verdunstungsbeeinflussung. Die Zunahme der Verdunstung eines Getreidebestandes mitzunehmender Vegetationshöhe wird durch eine Reduzierung aufgrund der während desReifeprozesses ansteigenden Albedo ausgeglichen.
Die Albedo gibt an, welcher Anteil der einfallenden Strahlung zur Verdunstung überhaupt ge-nutzt wird, wobei dieser Vorgang auf die Tagesstunden begrenzt ist. Dabei stellt sich die Frage,ob die Verwendung von Tagesmittelwerten der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit und der Wind-geschwindigkeit zur Verdunstungsberechnung korrekt ist, oder ob die Werte für die Zeit gewähltwerden sollten, in der eigentlich die Verdunstung stattfindet. An Tagen mit großen Tag-Nacht-Unterschieden bezüglich der meteorologischen Parameter sind bei Verwendung der Tages-mittelwerte größere Fehler zu erwarten.
Aus den aufgeführten Gründen wird das Konzept der direkten Anwendung der Penman-Monteith-Gleichung zur Bestimmung der maximalen Verdunstung für andere Landnutzungennicht weiter favorisiert.
Bild 13: PENMAN-MONTEITH-Verdunstung für Gras (α = 0,23, zB = 12 cm → ET0) und unterVariation der Albedo und der Vegetationshöhe (→ ETa), berechnet anhand täglicher Klimadatender Station Brandis, 1993 – 1997
2.5.3 Maximale VerdunstungDie maximale Verdunstung ETmax ist die Verdunstung der jeweiligen Nutzungsart beiausreichender Wasserverfügbarkeit. Die Höhe der maximalen Verdunstung wird zunächst durchdas klimatologisch bedingte Energieangebot aus kurz- und langwelliger Strahlung und sensiblerWärme bestimmt. Dieses klimatologisch bedingte Energieangebot wird jedoch abhängig von denStandortbedingungen des Bodens und der Vegetation in unterschiedlicher Art und Höhe für dieVerdunstung genutzt.
Für eine ausreichend mit Feuchtigkeit versorgte Oberfläche ergibt sich aus (7) die maximaleEvapotranspiration ETmax, wenn für rc der minimale Bestandeswiderstand rc,min gesetzt wird.Dieser minimale Bestandeswiderstand ist derjenige, den die Pflanzen dem Transpirationsprozessohne Trockenstressbedingungen entgegen bringen. In diesem Fall beeinflussen im Wesentlichendas Strahlungsangebot, bestimmt durch die Albedo (Energieausnutzung nach Abzug der
PENMAN-MONTEITH-Verdunstung ETa relativ zur Gras-Referenzverdunstung ET0 in Abhängigkeit von
Albedo und Höhe der Vegetation
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Albedo
20015010050201250,1
Veg. höhe[cm]
Definierte Grasfläche
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
19
reflektierten Strahlung), und der aerodynamische Widerstand (Feuchteaustausch mit derAtmosphäre modifiziert durch die Pflanzenhöhe) die Verdunstung. Die maximale Verdunstungwird somit durch Klima und Landnutzung beeinflusst.
Wie in Abschnitt 2.5.2 erläutert ist aber gerade der Bestandeswiderstand eine nur sehr unsicherangebbare Größe, sodass hier die Anwendung der PENMAN-MONTEITH-Gleichung zurBestimmung der landnutzungsabhängigen ETmax nicht weiter verfolgt wird.
Der Einfluss anderer Landnutzungsformen auf die jeweilige Energieausnutzung wird dagegendurch einen Faktor f zur Gras-Referenzverdunstung ET0 parametrisiert:
0ETfmaxET ⋅= bzw. 0ETfmaxET ⋅= (11)
Die Quantifizierung von f bzw. f wird in Abschnitt 2.5.4 besprochen.
2.5.3.1 Einfluss der Schneedecke auf die maximale VerdunstungZu Zeiten einer geschlossenen Schneedecke entspricht die maximale Verdunstung derSchneeverdunstung Es:
ETmax = Es. (12)
Im Vergleich zur Gras-Referenzverdunstung mit einer Albedo von 23 % ist infolge der relativhohen Albedowerte für eine geschlossene Schneedecke die Energieverfügbarkeit vergleichswei-se gering. Je nach Alter und Höhe und somit je nach Dichte und Wassergehalt der Schneedeckeliegen die Albedowerte im Allgemeinen über 50 % und können bei einer Neuschneedecke Wertevon 90 % erreichen. Entscheidend für den Einfluss der Schneedeckenverdunstung auf dasJahresmittel der maximalen Verdunstung ist die Dauer der Schneedecke. In Deutschland hängtdie mittlere jährliche Andauer der Schneedecke wesentlich von der Geländehöhe ab (RACHNER,MATTHÄUS, SCHNEIDER, 1997).
Beobachtungswerte der Schneeverdunstung liegen aus Messungen mit der Schneewaage vor.Über umfangreiche Beobachtungen und Berechnungen der Schneeverdunstung im Alpengebietder Schweiz berichtet DE QUERVAIN (1951). Danach hängt die Schneeverdunstung von einerVielzahl von Einflussgrößen ab, insbesondere von der Lufttemperatur und der Sonnen- oderSchattenlage. In Tabelle 3 werden Richtwerte der Schneeverdunstung im Jahresgang für mittlereKlimaverhältnisse in Deutschland vorgeschlagen, die sich weitgehend mit den Untersuchungs-ergebnissen in der Schweiz decken (GURTZ, BALTENSWEILER, LANG, 1999).
Tabelle 3: Mittlere tägliche Schneeverdunstung SE nach RACHNER (1999) und sich darausergebende Monatswerte und Jahreswerte für die Verdunstung einer Schneedecke
SE [mm d-1] Anzahl der Tage im Monat [d]SE [mm Monat-1]
JanuarFebruarMärz
0,050,150,30
312831
1,64,29,3
AprilMaiJuni
0,300,300,35
303130
9,09,3
10,5JuliAugustSeptember
0,350,300,20
313130
10,89,36,0
OktoberNovemberDezember
0,100,050,01
313031
3,11,50,3
Jahr 74,9 mm a-1
SE →75 mm a-1
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
20
Über mittleres Andauerverhalten der Schneedecke in Deutschland informiert die vom DWD er-arbeitete Karte 2.10 des HAD. Folgende Informationen werden daraus genutzt (Bild 14):
- mittlere Tageszahl der Schneedecke des ersten ( )ATZ bzw. letzten Tages ( )ETZ mit einerSchneehöhe ≥ 1 cm (Beginn der Zählung mit 1 am 1. September)
- mittlere Zahl des Tages ( )MAXTZ mit der maximalen Schneedeckenhöhe des Winters- mittlere Zahl der Tage ( )DS mit einer Schneedecke.
Bild 14: Bestimmung einer fiktiven zusammenhängenden Schneeperiode aus den vorgegebenenSchneeinformationen
Diese Tage mit Schneedecke DS werden fiktiv zu einer Periode mit ununterbrochenerSchneedecke zusammengeschoben. Dadurch ergeben sich fiktive Tageszahlen des „ersten“( )aTZ→ bzw. „letzten“ ( )eTZ→ Tages mit einer Schneedecke. Dabei wird vorausgesetzt, dass der„Asymmetriefaktor“ der Zeitabschnitte ( ) ( )MAXEAMAX TZTZ/TZTZ −− erhalten bleibt.
Somit ergeben sich für aTZ bzw. eTZ folgende Berechnungsgleichungen
DSTZTZTZTZTZTZ
AE
AMAXMAXa ⋅
−−−= (13)
DSTZTZ ae += (14)
(Auf- bzw. Abrundung auf volle Tage)
Da für die deutschlandweite Berechnung im Rahmen des HAD nur Monatswerte der Gras-Referenzverdunstung mon,E0 verfügbar sind, wird die Zuordnung von aTZ und eTZ zu Monaten(mons) mit Schneedecke folgendermaßen vorgenommen:
0
5
10
15
20
25
30
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180 192 204 216 228
Tageszahl
Schn
eehö
he [c
m]
TZMAX = 116 TZE = 195TZA = 36 DS = 123
TZa= 72 TZe= 195
01.09. 16.04.
(07.10.)
(12.11.) (14.03.)
fiktive Schneeperiode
(26.12.)
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
21
mons = 9 (Sep.) falls aTZ ≤ 15 und eTZ ≥ 30
mons = 10 (Okt.) falls aTZ ≤ 46 und eTZ ≥ 61
mons = 11 (Nov.) falls aTZ ≤ 77 und eTZ ≥ 91
mons = 12 (Dez.) falls aTZ ≤ 107 und eTZ ≥ 122mons = 1 (Jan.) falls aTZ ≤ 138 und eTZ ≥ 153 (15)
mons = 2 (Feb.) falls aTZ ≤ 168 und eTZ ≥ 181mons = 3 (März) falls aTZ ≤ 197 und eTZ ≥ 212
mons = 4 (Apr.) falls aTZ ≤ 228 und eTZ ≥ 242
mons = 5 (Mai) falls aTZ ≤ 258 und eTZ ≥ 273
Der mittlere Jahreswert der maximalen Verdunstung wird berechnet nach
� �⋅+⋅=smon sfrmon
sfrmon0HmonSH ETffEfETS ,,max (16)
wobei:�
smonSmonSE , Summe der mittleren Schneeverdunstung aller Monate
(mons) mit Schneedecke (gemäß Gleichung (15) und Tabelle 3)
�smon
sfrmon0ET , Summe der mittleren Gras-Referenzverdunstung aller
übrigen schneefreien Monate des Jahres
fH ein von Hangneigung und –exposition der verdunstendenOberfläche abhängiger Faktor (Abschnitt 2.5.3.2)
f ein von der Landnutzung und vom Boden abhängiger Faktor(ohne Hangneigung) (siehe Gleichung (11) und Abschnitt 2.5.4)
Bei Wald ist die Schneefläche des Waldbodens mehr (Nadelwald) oder weniger (entlaubterLaubwald) dicht von den Baumkronen überdeckt. Der bei Schneefall auf den Kronnen liegen ge-bliebene Schnee wird im Allgemeinen durch Wind, Sonneneinstrahlung oder Regen viel schnel-ler reduziert als die Schneebedeckung der Freifläche und dadurch die Albedo der verdunstendenWaldoberfläche gegenüber der der Schneedecke der Freifläche verringert. Über die mittlereanteilige Erhöhung der Verdunstung können bei Laub- und Nadelwald gegenwärtig daher nurAnnahmen gemacht werden.
2.5.3.2 Einfluss der Hangneigung und –exposition auf die maximale VerdunstungDie Berechnung der Verdunstung bezieht sich auf eine horizontale Bezugsfläche. Bei einerHangfläche variiert der Energieeintrag durch die einfallende Strahlung mit der Neigung und derExposition der Fläche, weshalb eine Korrektur erforderlich ist. Diese erfolgt im VerfahrenBAGLUVA entsprechend den von GOLF (1981) abgeleiteten Faktoren zur Modifizierung (Bild15), sodass sich die maximale Verdunstung einer Hangfläche aus der Gras-Referenzverdunstungwie folgt ergibt:
ETmax = f . fH .ET0
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
22
Bild 15: Faktoren fH zur Umrechnung der maximalen Verdunstung einer ebenen Fläche auf denHang in Abhängigkeit von dessen Neigung und Exposition (GOLF, 1981)
In Abhängigkeit von der Jahreszeit wirken sich Neigung und Azimut des Hanges unterschiedlichstark aus, wie die unten aufgeführten Beispiele zeigen. Der höhere Sonnenstand im Sommerführt bei den südlich orientierten Hängen zu geringeren Korrekturfaktoren als im Winter.
Jahreszeit Winter SommerET0 [mm a-1] 100 400f 1,0Neigung 30° 10° 30° 10°Exposition Süd Nord Süd NordfH 2,25 0,65 1,30 0,92ETmax[mm a-1] 225 65 520 368
Das effektive Wasserdargebot durch den bei zunehmender Steigung höheren Oberflächenabflussist gegenüber dem auf die Horizontfläche bezogenen Niederschlag verringert, dieses sollte ineiner überarbeiteten Version des Verfahrens noch berücksichtigt werden.
2.5.4 Bestimmung des landnutzungsabhängigen Standortparameters fZur Ableitung der maximalen Verdunstung aus der Gras-Referenzverdunstung wird derlandnutzungsabhängige Standortparameter f benötigt. Für dessen näherungsweiseQuantifizierung werden Beobachtungsergebnisse der tatsächlichen Verdunstung fürBedingungen ausreichender Bodenfeuchte (Bereich der Feldkapazität) genutzt und mit derjeweiligen Gras-Referenzverdunstung verglichen. Diese Untersuchungen erfolgen aufTageswertbasis, die Ergebnisse werden danach zu vieljährigen Mittelwerten zusammengefasst.
,SW
,SW
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
23
2.5.4.1 Versiegelte, teilversiegelte und vegetationslose FlächenDer Parameter f vegetationsloser Flächen wurde anhand täglicher Beobachtungen dertatsächlichen Verdunstung vegetationsloser wägbarer Lysimetern sowie vegetationsloser Phasenackerbaulich genutzter wägbarer Lysimeter der Stationen Eberswalde, Groß Lüsewitz undBrandis ermittelt. Hierfür wurden Tage mit hoher Vorfeuchte bzw. mit höheren Tages-niederschlägen (größer 5 bis 10 mm d-1) gewählt. Die an diesen Tagen gemessene tatsächlicheVerdunstung ETa wurde der aus Klimabeobachtungen ermittelten täglichen Gras-Referenz-verdunstung ET0 gegenübergestellt und f entsprechend
00 ETmaxET
ETETaf ≈= (17)
ermittelt.
Ungeachtet der hohen Streuung der Einzelwerte kann eine Abhängigkeit des Parameters f vonder nutzbaren Feldkapazität ΘnFK abgeleitet werden (Bild 16). Hierbei ist der Einfluss desHumusgehaltes auf ΘnFK sowie der Einfluss der vom Humusgehalt abhängigen Bodenfarbe aufdie Albedo und somit auf f enthalten.
Bild 16: Parameter f für vegetationslosen Boden in Abhängigkeit von der Volumenfeuchte dernutzbaren Feldkapazität ΘnFK
Die ermittelten f-Werte gelten für Zeiten ohne Schneedecke, was generell für alle Landnutzungs-arten zutrifft. Der Einfluss der Schneedecke auf die maximale Verdunstung wurde im Abschnitt2.5.3.1 behandelt.
Angesichts fehlender Tagesmesswerte der Verdunstung versiegelter (und befeuchteter) Flächenwird hierfür der Parameterwert vegetationsloser sandiger Flächen vorgeschlagen. Er soll für alleBelagsklassen und die Dachflächen gelten und beträgt f = 0,8. Die Zuordnung vonVersiegelungsmaterialien zu Belagsklassen wird analog zu Untersuchungen im urbanen GebietBerlin vorgenommen (GLUGLA, ET AL., 1999 a).
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28ΘnFK [Vol%]
f
vegetationsloser Boden
Streubereich der Untersuchungsergebnisse
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
24
2.5.4.2 Vegetationsbedeckte FlächenDie tatsächliche Verdunstung ETa vegetationsbedeckter Standorte ausreichender Wasserver-fügbarkeit (Bodenfeuchte > 70 % von ΘnFK) entspricht näherungsweise der maximalen Verduns-tung ETmax. Im Unterschied zu vegetationslosem Boden, wo bei Abtrocknung des Oberbodensdie tatsächliche Verdunstung schnell und deutlich abnimmt, greift das Wurzelsystem der Vege-tation in Trockenperioden auf einen Bodenfeuchteraum zu, dem bei hoher und tiefgründigerKapillarität zwecks Ausgleich von Feuchtegradienten Wasser aus tieferen und feuchteren Bo-denbereichen zuströmt. Der Parameter f kann unter diesen Bedingungen näherungsweise nach
0ETETaf ≈ bestimmt werden.
Unter diesen Prämissen ist die Verfügbarkeit von Daten wägbarer Lysimeter sehr eingeschränkt.Folgende Versuchsbedingungen müssen erfüllt sein:
� Versuchsböden mit hoher bodeninnerer Kapillarwasserbewegung� annähernd ähnliche Vegetationsbedingungen in der Umgebung der Lysimeter zur Minderung
von Oaseneffekten� kontinuierlich vieljährige Beobachtungen zur Pflanzenphänologie (Art, Höhe, Dichte, Be-
deckungsgrad, phänologische Termine, Pflanzenschäden ...)� tägliche Beobachtungen der tatsächlichen Verdunstung (bei wasserhaushaltlich ermittelter
Verdunstung Verwendung korrigierter Niederschläge)� tägliche klimatologische Beobachtungen am Lysimeterstandort zur Bestimmung der Gras-
Referenzverdunstung ET0
Fruchtfolgen (Ackerland)Die tatsächliche Verdunstung ETa ist, je nach Vegetationsart, Entwicklungsstadium undPflanzenhöhe, größer oder kleiner als die Gras-Referenzverdunstung ET0. Sie entspricht beiLysimetern mit tiefgründigem Löß näherungsweise der maximalen Verdunstung.
Dieses verdeutlichen die Zuordnungen von Tageswerten von ETa zu ET0 gewählter Gruppen derPflanzenhöhe zB (Bilder 17 und 18). Der Richtungsfaktor m für die jeweilige Gruppe derPflanzenhöhe ist gleichbedeutend mit dem Parameterwert f. Bei Hackfrüchten mit geringerPflanzenhöhe wird die Streuung deutlich größer, weil hier der Bedeckungsgrad stärker vonEinfluss ist (Bilder 19 und 20).
Mit den Abhängigkeiten f=Fkt(zB) sind Monatswerte des f-Wertes berechnet worden. Monats-mittelwerte f für die gesamte Beobachtungsreihe sowie Jahre mit Halm- und Hackfrüchten sindin Bild 21 dargestellt. Sie zeigen die für Halm- bzw. Hackfrüchte typischen zeitverschobenenMaxima. Die winterlichen Unterschiede hängen davon ab, ob Vegetation (z. B. Wintergetreide)auf den Lysimetern stand. Bemerkenswert ist auch der Abfall des f -Wertes bei Halmfrüchtennach Reife, Ernte und Bodenumbruch. Dieser Jahresgang von f für unterschiedlicheAckerkulturen wird auch durch Untersuchungen von GÜNTHER (1999) sowie von SAMBALE undPESCHKE (2000) bestätigt.
Zur Optimierung der Parameters f siehe Abschnitt 2.5.4.4.
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
25
Bild 17: Tageswerte der tatsächlichen Verdunstung ETa bei ausreichender Wasserverfügbarkeit,bezogen auf die Gras-Referenzverdunstung ET0 (Brandis, Lysimetergruppe 10, Halmfrüchte,Pflanzenhöhe 30 bis 60 cm)
Bild 18: Tageswerte der tatsächlichen Verdunstung ETa bei ausreichender Wasserverfügbarkeit,bezogen auf die Gras-Referenzverdunstung ET0 (Brandis, Lysimetergruppe 10, Halmfrüchte,Pflanzenhöhe 60 cm bis 90 cm)
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7ET0 [mm/d]
ETa
[mm
/d]
Gerade
m = 1,51R2 = 0,76
m = 1.55R2 = 0.755
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7
ET0[mm/d]
ETa
[mm
/d]
m=1
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
26
Bild 19: Tageswerte der tatsächlichen Verdunstung ETa bei ausreichender Wasserverfügbarkeit,bezogen auf die Gras-Referenzverdunstung ET0 (Brandis, Lysimetergruppe 10, Zuckerrüben,Pflanzenhöhe 45 bis 60 cm)
Bild 20: Tageswerte der tatsächlichen Verdunstung ETa bei ausreichender Wasserverfügbarkeit,bezogen auf die Gras-Referenzverdunstung ET0 (Brandis, Lysimetergruppe 10, Kartoffeln,Pflanzenhöhe 30 bis 45 cm)
y = 1.42xR2 = 0.50
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 1 2 3 4 5 6
ET0[mm/d]
ETa
[mm
/d]
m=1
y = 1.35xR2 = 0.47
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 1 2 3 4 5 6 7
ET0 [mm/d]
ETa
[mm
/d]
m=1
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
27
Bild 21: Monatsmittelwerte von MMM ETmaxETf 0= für Halm- und Hackfrüchte sowie fürFruchtfolgen auf tiefgründigem Löß (Brandis, Lysimetergruppe 10)
Gras (Grünland)Die Versuchsbedingungen bei Lysimetern mit Gras entsprechen weniger den gefordertenVegetationsbeobachtungen, da einerseits das Gras öfter geschnitten, die Grashöhe andererseitsselten kontinuierlich registriert wurde. Die Zusammenhänge zwischen dem Parameter f und derGrashöhe sind somit weniger experimentell gesichert. Es wird jedoch davon ausgegangen, dassdie mittlere Grashöhe auf den Lysimetern etwa im Bereich der der Gras-Referenzfläche (12 cm)liegt. Eine Extrapolation für andere Grashöhen erfolgt über die PENMAN-MONTEITH-Beziehung( 1f ).
Für f gilt somit die Beziehung
)z(f
f)(f
B
nFK
Fkt
Fkt
1
1
=
⋅= Θ (18)
Hinsichtlich der optimierten Parameterwerte f und der entsprechenden Algorithmen wird auf dieAbschnitte 2.5.4.4 und 2.7 verwiesen.
WaldflächenDie Bestimmung des Parameters f für unterschiedlich bewaldete Flächen ist wegen fehlenderkontinuierlicher Beobachtungen der tatsächlichen Gesamtverdunstung (Bedingungen ausreichen-der Wasserverfügbarkeit) nicht möglich. Eine Abschätzung von f in Abhängigkeit vonBestandesart und –alter erfolgte daher unter Berücksichtigung von Randbedingungen und mitAnnahmen:
� Nutzung der f-Werte vegetationsloser Flächen für den Zeitpunkt der Begründung forstlicherKulturen
� Annahme vergleichbarer f-Werte für Fruchtfolgen und forstliche Bestände bestimmten Al-ters:. etwa 5-jährige Kiefern (Nadelgehölze) bzw.. etwa 10-jährige Buchen (Laubgehölze)
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Monat
f M
Hackf rucht (1981, 1985, 1987, 1990, 1996) Halmfrucht (1982, 1983, 1986, 1988, 1989, 1991, 1992, 1997)Frucht folge (gesamte Beobachtungsreihe)
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
28
� Annahme eines mittleren Quotienten
80,maxET
ETa ≈
für die Klimabedingungen des norddeutschen Tieflands.
In der tatsächlichen Verdunstung ETa ist die Interzeptionsverdunstung IE enthalten. ETa wurdeaus vieljährigen gleitenden Mittelwerten der Differenz RPkorr − bewaldeter Versickerungsmesser( R hier Sickerwassermenge) ermittelt. Zusammen mit den entsprechenden Werten der Gras-Referenzverdunstung 0ET am Standort der Versickerungsmesser ergibt sich näherungsweise
00 80 ET,ETa
ETmaxETf
⋅≈= in Abhängigkeit von Bestandesart und –alter.
Für die Ermittlung von ETa für Wald wurden folgende Versickerungsmesser genutzt:- 9 Versickerungsmesser (jeweils 100 m2, 5 m tief) in Eberswalde-Britz mit aufwachsen-
den Nadel- und Laubgehölzen von derzeit fast 30 Jahren (LÜTZKE, SIMON, 1976)- 1 Versickerungsmesser (650 m2, 4 m tief) in Colbitz bei Magdeburg mit aufwachsenden
Kiefern von derzeit fast 30 Jahren (GLUGLA et al., 1982)- 2 Versickerungsmesser (jeweils 400 m2, 3,5 m tief) in St. Arnold bei Münster mit auf-
wachsenden Weymouthkiefern bzw. Laubgehölzen von derzeit fast 35 Jahren(SCHROEDER 1992)
- Unterflurlysimeter (jeweils von 500 bzw. 1500 cm2 und 1 m Wandhöhe in etwa 4 mTiefe unter der Wurzeltracht) in Liepe b. Eberswalde mit einem Kiefernaltbestand derAltersspanne 90 bis 115 Jahre (LÜTZKE, SIMON, 1975).
Für die Abschätzung von f wurden auch Ergebnisse von Wasserhaushaltsuntersuchungen inEinzugsgebieten der Kammlagen deutscher Mittelgebirge (Abschnitt 2.5.4.3) genutzt. DieErgebnisse der optimierten Parameterwertermittlung f werden im Abschnitt 2.5.4.4 und 2.7mitgeteilt.
2.5.4.3 EinzugsgebieteIn Gebieten der Kammlagen deutscher Mittelgebirge mit unterschiedlichem Wald- und Grün-landanteil lässt sich der Bezug der maximalen Verdunstung maxET zur Gras-Referenzverdunstung 0ET im mehrjährigen Jahresmittel aus dem Vergleich gemessener Ab-flusshöhen gemR bestimmen. Dazu wurden Einzugsgebiete mit hohen Gebietsmittelwerten desNiederschlags ausgewählt (Tabelle 4).
Tabelle 4: Ausgewählte Einzugsgebiete zur Optimierung der Parameter f für Wald und Grünlandaus dem Vergleich berechneter und gemessener Abflusshöhen
Mittelgebirge Flussgebiet Pegel Gebietsfläche[km2]
HarzSauerland
EifelRhönThüringer WaldHunsrückSpessart
SchwarzwaldBayerischer Wald
SieberSülzEderPrümFuldaSchwarzaRuwerAschaffElsavaNagoldGroßer RegenWeißer Regen
HattorfHoffnungsthalMüssePrümHettenhausenKatzhütteHenternGoldbachRückAltensteig-StegZwieselKötzting
129219124 53 56123102144142134177226
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
29
In diesen Gebieten kann im vieljährigen Mittel die tatsächliche Verdunstung ETa als maximaleVerdunstung maxET angenommen werden, sodass gilt
00 ETETa
ETmaxET ≈ (19)
mitgemkorr RPETa −= (20)
und
gemR vieljährige Mittelwerte (1961/1990) der aus dem Durchfluss am Kontrollpegel desGebietes ermittelten Gesamtabflusshöhe
korrP aus Niederschlagsbeobachtungen (1961/1990) im Gebiet und in unmittelbarerNähe gemessene und von RICHTER (1999) korrigierte Gebietsniederschläge
0ET Gebietswerte der Gras-Referenzverdunstung nach Ausarbeitungen von WENDLING
(1999) bzw. Abschätzungen aus der Karte 2.12 des HAD.
Weiterhin wird aus der Bilanz
0ETfPmaxETPR korrkorrber ⋅−=−= (21)
die Abflusshöhe berR berechnet. Sie wird der gemessenen Abflusshöhe gemR gegenübergestellt.
Die Parameterwerte f für Wald und Grünland/Acker, mit denen die maximale Verdunstung ausder Gras-Referenzverdunstung ermittelt wird, werden gemäß Bild 22 für Wald ( Waldf ) zwischen1,1 und 1,4 und für Grünland/Acker ( ckerGrünland/Af ) zwischen 0,6 und 1,2 variiert. Für die inTabelle 4 aufgeführten Einzugsgebiete mit jeweils unterschiedlichen Gebietsanteilen von Waldbzw. Grünland/Acker gelten die in Bild 22 mitgeteilten Richtungsfaktoren m der Ausgleichs-geraden zwischen berechneten und gemessenen Abflusswerten dieser Einzugsgebiete beiVorgabe der o.g. Variation der f -Werte für Wald und Grünland/Acker.Der Grad der Übereinstimmung von berechneten und gemessenen Abflusswerten der Einzugs-gebiete insgesamt wird durch das Bestimmtheitsmaß R2 bewertet. Optimale Übereinstimmungvon Berechnungs- und Messwerten des Abflusses ist erreicht, wenn der Richtungsfaktor derAusgleichsgeraden m und das Bestimmtheitsmaß R2 bei 1 liegen.
Dieses ergibt sich für die Werte Waldf = 1,28 und ckerGrünland/Af = 0,83. Dieser für die Kammlagenermittelte f -Wert für Wald wird durch die Untersuchungsergebnisse für Nadelwald im Tiefland(vgl. Abschnitt 2.5.4.2) im Mittel weitgehend bestätigt. Für Grünland/Acker dagegen dürfte derrelativ geringe f -Wert durch die größere Andauer einer geschlossenen Schneedecke imVergleich zum Tiefland bedingt sein (vgl. auch Abschnitt 2.5.3.1).
Eine analoge Auswertung von Einzugsgebieten des deutschen Voralpenraumes (Tabelle 5) führtbei Annahme der gleichen f -Werte (für Wald f =1,28, für Grünland/Acker f =0,83) im Mittel zuetwa 10 bis 20 % höheren Abflusshöhen als den gemessenen. Auch bei Annahme höherer f -Werte (geringere Schneeandauer bzw. intensivere Vegetationsentwicklung als in denKammlagen der Mittelgebirge) ist dennoch mit rd. 10 % höher berechneten Abflusswerten imVergleich zu den Messwerten zu rechnen. Dies bedeutet, dass für diesen Raum Süddeutschlandsdie 0ET -Werte zu klein und/oder die korrP -Werte zu groß vorgegeben sind.
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
30
Bild 22: Optimierung des Parameters f für Wald und Grünland/Acker aus dem Vergleichberechneter und gemessener Abflusshöhen
Tabelle 5: Einzugsgebiete des Voralpenraumes Deutschlands zur Optimierung des Parameters f
Flussgebiet Pegel Gebietsfläche[km2]
Untere ArgenGroße GaißachGeltnachObere ArgenRote Traun
BeutelsauGaißachHörmannshofenWangen-EpplingsWernleiten
261 37 95166 92
2.5.4.4 Optimierung des Parameters f
In den vorhergehenden Abschnitten wurden für die einzelnen Landnutzungsformen zurErmittlung von f ausgewählte Beobachtungen mit wägbaren Lysimetern (vegetationsloserBoden, Fruchtfolgen), Annahmen und Extrapolationen (versiegelte Flächen, Gras), Messungenmit Versickerungsmessern (Wald) und Untersuchungen zum Gebietswasserhaushalt(Kammlagen der Mittelgebirge) verwendet. Diese Zuordnungen des Parameters f geltenzunächst nur für wenige Standort- bzw. Gebietsbedingungen.
Um die Vielzahl der Lysimeterbeobachtungen in Deutschland für die Festlegung des Parametersf nutzen zu können, erfolgte eine Optimierung des Parameters in Verbindung mit Abhängig-keiten zu weiteren Standortparametern:
1. Der Effektivitätsparameter n wird mit den vieljährigen Mitteln der Messwerte von- korrigiertem Niederschlag korrP
- maximaler Verdunstung 0ETfmaxET ⋅=
- tatsächlicher Verdunstung ETanach der BAGROV-Beziehung berechnet.
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3
f (Acker,Grünland)
f (W
ald)
1,148
1,0970,903
1,0450,922
0,9940,930
1,1250,8
1,0730,9
1,0220,934
0,9700,9
m: Richtungsfaktor R²: Bestimmheitsmaß
1,1020,903
1,0500,927
0,9980,940
0,9470,943
1,0780,910
1,0260,930
0,9750,941
0,9230,941
1,0550,9
1,0030,9
0,9520,9
0,9000,936
1,0310,910
0,9790,9
0,9270,930
0,8760,926
1,0070,892
0,9560,9
0,9050,9
0,8530,9
R2 = max
m = 1
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
31
Während die Größen 0ET,Pkorr und ETa aus den Standortbeobachtungen vorgegeben sind,lässt sich maxET und damit n durch Variation von f in bestimmten Grenzen variieren. Einzu hoch angenommener f -Wert führt z. B. zu einer zu hohen maximalen Verdunstung unddaher wegen der vorgegebenen Werte von korrP und ETa zu einem zu kleinen n-Wert. EineOptimierung von f und damit n wird erreicht, wenn für die Vielzahl der verwendetenLysimeterbeobachtungen (jeweilige „Messpunkte“) geringste Streuung zu der Abhängigkeitvom Jahresmittel des ausschöpfbaren Bodenwasservorrats (nutzbare Feldkapazität nFKΘ .
Ausschöpfungstiefe We ) erreicht wird. Dabei ist der Wert nFKΘ ein relativ konstanterBodenkennwert.Für stark geschichtete Böden wird wiederum eine Optimierung mit der AusschöpfungstiefeWe erforderlich.
2. Der Parameter f ist bei vorgegebener nutzbarer Feldkapazität nFKΘ wiederum mit der Aus-schöpfungstiefe We verknüpft. Für die z. B. in Bild 24 verwendeten Werte von 0ET,Pkorr
und ETa ergeben sich die optimierten Werte f , n , und We . Zu hoch angenommene f -Wertez. B. würden zu zu kleinen n - und We -Werten führen, um den vorgegebenen Werten
0ET,Pkorr und ETa entsprechen zu können.
3. Das Gesamtschema der Optimierung von f sowie der anderen Standortparameter (n, We ) inAbhängigkeit von nFKΘ bzw. WenFK ⋅Θ wird in Bild 23 vorgestellt. Bei zunächst inbestimmten Grenzen angenommenen f -Werten in Abhängigkeit von nFKΘ ( f =Fkt( nFKΘ )) wobei die in Abschnitt 2.5.4 ermittelten f -Werte wichtige Startwerte sind wird die Opti-mierung erreicht, wenn für die Abhängigkeiten
f = Fkt )( nFKΘn = Fkt( ETa,ETfmaxET,Pkorr 0⋅= )
WenFK ⋅Θ = Fkt(n)We = Fkt )( nFKΘ
bei allen verwendeten Beobachtungsergebnisen mit wägbaren und nicht wägbarenLysimetern („Messpunkte“) die geringste Streuung zu den Ausgleichskurven erreicht ist. ImErgebnis der vorgenommenen Optimierung ergeben sich für die einzelnenLandnutzungsformen die in Abschnitt 2.7 mitgeteilten Berechnungsgleichungen derAusgleichskurven für die jeweiligen Parameter f , n und We . In den Bildern 25 und 26werden hier Beispiele für die optimierte Ausgleichskurve des Parameters f in Abhängigkeitvon der nutzbaren Feldkapazität nFKΘ der Versuchsböden von Lysimetern mit Fruchtfolgenund Gras dargestellt.
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
32
Bild 23: Gesamtheit der Abhängigkeiten zwischen den Standortparametern
f Parameter zur Bestimmung von 0ETfmaxET ⋅=n Effektivitätsparameter nach BAGROV
WenFK ⋅Θ mittlere maximale Ausschöpfungsmenge
korrP Mittelwert des korrigierten Niederschlags
0ET Mittelwert der Gras-Referenzverdunstung
ETa Mittelwert der tatsächlichen Verdunstung
Optimierungsschritte:A Wahl von f in Abhängigkeit von nFKΘ mit 0ET/maxETf = ,
B Berechnung von n in Abhängigkeit von ETaPkorr , sowie der zu optimierenden maxET -Werte nach derBAGROV-Beziehung
C Berechnung von WenFK ⋅Θ in Abhängigkeit von n. Die Beziehung wurde aus vergleichenden Berechnun-gen des Bodenwasserhaushalts mit dem DISSE-Modell und mit Lysimeterbeobachtungen abgeleitet.
D Zuordnung von WenFK ⋅Θ zu nFKΘ .
Die Abhängigkeiten ( )nFKf ΘFkt= und ( )nFKnFK We ΘΘ Fkt=⋅ ergeben sich als Trendlinien ---- derWerteverteilung bei minimaler Streuung aller Einzelwerte aus Lysimeterbeobachtungen: Einz. B. zu hoch angenommener f -Wert führt bei vorgegebenem korrP -, 0ET - und ETa -Wert zueinem zu kleinen WenFK ⋅Θ - bzw. We -Wert oder umgekehrt!
ΘnFK.We = Fkt(n)D C
BA
ΘnFK
0
0
0
0
f1 ETmax1
ETmax3
ETmax2
f3
f2
n1 n3 n2
We1
We3
We2
f ETmax
We
n
n
ΘnFK
ΘnFK
ΘnFK.We
ΘnFK.We
We = Fkt(ΘnFK)
f = Fkt(ΘnFK) n = Fkt(Pkorr, ETmax, ETa)
ET0 Pkorr ETa
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
33
Bild 24: Berechnungsbeispiel (Lysimeter Gießen) für den Zusammenhang der Parameter f , n undWe
Lysimeter Gießen, Gras
Sand Löß
nFKΘ [Vol.%] 14 24
korrP [mm a-1] 650 650
ETa [mm a-1] 390 535
0ET [mm a-1] 600 600
f 0,92 x 1,08 omaxET [mm a-1] 552 648
n 1,1 3,0We [dm] 2,63 + 4,56 •
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
n nf
We [dm]
3,0
4,0 4,5
2,4
1,9
1,4
0,75
1,4
2,2
1,10,95
0,63
0,60
Löß
Sand
Optimierte Werte
Optimierte Werte
o
+
x
•
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
34
Bild 25: Parameter f für Acker mit Fruchtfolgen in Abhängigkeit von der Volumenfeuchte dernutzbaren Feldkapazität nFKΘ (Kurzzeichen an den Punkten kennzeichnen die Lysimeterstationengemäß Tabelle 6)
Bild 26: Parameter f für Gras in Abhängigkeit von der Volumenfeuchte der nutzbarenFeldkapazität nFKΘ (Kurzzeichen an den Punkten kennzeichnen die Lysimeterstationen gemäßTabelle 6)
OT
NEMZ
GL
GR
BR07 BR01
HÜHA
HS
FRGG
FC
EB
ED
ES
DT
BR08
BR11 HE
BS
GU BR04
BR05
BO
BN
BMBEKO,BA
PR
OFRT
RH
ST
BR10BR09
GO
Tschernosem
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28ΘnFK [Vol%]
f
Fruchtfolgen
WH
WA
ZI
NW3SH
BA
EB
DUStA
LA
NW2
HS
BÜ
HH
SP
EH
NHSE3
AL
RT
KOBH
SE1
SN
DE OB
AO
MR
GI
NW1
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28ΘnFK [Vol%]
f
Gras (Höhe 12 cm)
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
Tabelle 6: Liste der in die Untersuchungen einbezogenen Lysimeterstationen
Kurz-zei-chen
Lysime
AL AlbachAO Aitrach-BA Barme-DBH BalkhauBÜ BüchigDE Dehring
DU Durmer
EB Eberswa
EH Erbenhe
GI Gießen
HH HannovHerrenh
HS Hof Sch
KO Kombac
LA Lahr/ObMR Mönche
RheindaNH NordheiNW1 NiederwNW2 NiederwNW3 NiederwOB OberweRT Rauenta
OberrheSE1 Senne L
SE3 Senne LSH SchrieshSN SinningSP SpielberStA St. ArnoWA WalsdorWH WildeshZI Ziegenh
Abkürzungen füBBBW
BrandenBaden-W
H HessenMVPN
MecklenNieders
NRWRP
NordrheRheinla
ST
SachsenThüring
G r a s - L y s i m e t e r L y s i m e t e r m i t A c k e r f l ä c h e nterstation Bun-
des-land
Vegetationsart Kurz-zei-chen
Lysimeterstation Bun-des-land
Vegetationsart
H Wiese BA Barme III N AckerOberhausen BW Gras/Wiese BE Bergshausen H Intensiv gen. Ackeriensthop N Gras/Wiese BM Bornheim RP Acker
sen H Mähwiese BN Bollsee-Nord N AckerBW Gras BO Bonn I, II, IV S Acker
hausen H Gras/Wiese BR01 BrandisLysimetergruppe1
S Fruchtfolge
sheim BW Gras/Wiese BR04 BrandisLysimetergruppe4
S Fruchtfolge
lde BB Gras BR05 BrandisLysimetergruppe5
S Fruchtfolge
im H Wiese/Weide
BR07 BrandisLysimetergruppe7
S Fruchtfolge
(L1/L2) H Gras BR08 BrandisLysimetergruppe8
S Fruchtfolge
er-ausen
N Gras BR09 BrandisLysimetergruppe9
S Fruchtfolge
önau H Wildgräser BR10 BrandisLysimetergruppe10
S Fruchtfolge
h H Gartenrasen BR11 BrandisLysimetergruppe11
S Fruchtfolge
errhein BW Gras/Wiese BS Bollsee-Süd N Ackerngladbach-hlen
NRW Gras DT Dicker Turm H Intensiv gen. Acker
m H Weide EB Eberswalde BB Fruchtfolgeerth L1/L5 RP Gras ED Eddersheim H Ackerflächeerth L2/L6 RP Gras ES Eschollbrücken H Intensiv gen. Ackererth L3/L7 RP Gras FC Fränkisch-Crumbach H Intensiv gen. Acker
yer H Festplatzwiese FR Fritzlar H Intensiv gen. Ackerl/in
BW Gras GG Groß Gerau H Intensiv gen. Acker
1 NRW Gras GL Groß LüsewitzL1/L2/L3/L5/L6
MVP Fruchtfolge
3/L4 NRW Gras GO Großobringen T Ackereim BW Gras/Wiese GR Grebenstein H Intensiv gen. Acker
en BW Gras/Wiese GU Groß Umstadt H Intensiv gen. Ackerg H Gartenrasen HA Hattersheim H Ackerld L1 NRW Gras HE Helmarshausen H Intensiv gen. Ackerf H Weide HS Hof Schönau H Ackerausen N Gras/Wiese HÜ Hübenthal H Intensiv gen. Ackeragen H Wiese/Weide KO Kohlenweihe-Ost N Acker
MZ Münzenberg H Intensiv gen. Acker
r die Bundesländer:NE Nieder-Erlenbach H Intensiv gen. Acker
burgürttemberg
OF Offenthal H Intensiv gen. Acker
OT Ottersheim RP Ackerburg-Vorpommern
achsenPR Praunheim H Intensiv gen. Acker
in-Westfalennd-Pfalz
RH Rüdigheim H Intensiv gen. Acker
enRT Rauental/
OberrheinBW Gärtnerische Kulturen
35
ST Steyerberg-Acker N Acker
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
36
2.6 Bestimmung des Effektivitätsparameters n für das BAGROV-Verfahren
Die tatsächliche Verdunstung ETa ist abhängig von
• der Wasserverfügbarkeit (Abschnitt 2.4) durch korrigierten Niederschlag, Beregnung oderWasseraufstieg aus flurnahem Grundwasser,
• der Energieverfügbarkeit in Form der maximalen Verdunstung (Abschnitt 2.5)sowie
• den Standortbedingungen, gekennzeichnet durch den Effektivitätsparameter n.Der Parameter n quantifiziert im Wesentlichen den Einfluss der Standortbedingungenhinsichtlich der zeitlichen und räumlichen Verfügbarkeit des stochastisch verteiltenNiederschlags für die tatsächliche Verdunstung im
− Interzeptionsspeicher (Speicherinhalt beeinflusst durch Interzeptionskapazität, Häufigkeit derNiederschlagsereignisse ...)und im
− Bodenspeicher (Speicherinhalt, beeinflusst durch nutzbare Feldkapazität und Ausschöp-fungstiefe ...).
Ferner bewirkt ein höherer Grad der Parallelität von Wasser- und Energieverfügbarkeit imsaisonalen Verhalten eine höhere Ausnutzung für die tatsächliche Verdunstung. Ein stärkererAnteil des Sommerniederschlags am im Jahresmittel gleichen Niederschlag führt bei dertatsächlichen Verdunstung und somit bei n zu einem höheren Wert.
2.6.1 InterzeptionsspeicherUnter Interzeption versteht man das vorübergehende Speichern von Niederschlag an Pflanzen-und anderen Oberflächen. Die Interzeptionshöhe I gibt das gespeicherte Wasservolumen in mman, als Interzeptionskapazität Imax wird das maximale Rückhaltevermögen von Pflanzenbeständenbezeichnet. Das an den Pflanzen haftende Interzeptionswasser verdunstet zuerst, bevor dieTranspiration vollständig einsetzen kann. Diese Interzeptionsverdunstung EI ist Teil dergesamten Evapotranspiration, bei geringem Verdunstungsanspruch der Atmosphäre ist siekleiner als die Interzeptionshöhe I. Landnutzung und Pflanzenentwicklung bestimmenmaßgeblich die einzelnen Verdunstungsanteile.
Für vegetationsbedeckte Standorte ist die Interzeptionshöhe I abhängig von derInterzeptionskapazität Imax sowie von den Tagessummen des korrigierten FreilandniederschlagsPkorr. Bei einem bestimmten Tagesniederschlag Pgrenz wird der Maximalwert der Inter-zeptionshöhe Imax erreicht (vergleiche Bild 27). Mit zunehmender Interzeptionskapazität steigtauch der sogenannte Grenzniederschlag an.
Angaben in der Literatur zur Interzeptionskapazität Imax beziehen sich meistens auf denvollständig entwickelten Pflanzenbestand. Da Angaben zum Blattflächenindex LAI anLysimeterstationen meist fehlen, ist Imax näherungsweise in Abhängigkeit von der maximalenPflanzenhöhe zB,max der jeweiligen Pflanzenart anzugeben. Die Werte der InterzeptionskapazitätImax für die jeweiligen Entwicklungsstadien mit zB werden daher näherungsweise mit
max,B
Bmax z
zII = (22)
festgelegt.
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
37
Bild 27: Berechnungsbeispiel der täglichen Interzeptionshöhe I aus korrigiertenTagesniederschlägen Pkorr (Interzeptionskapazität Imax)
Zur Berechnung von Tageswerten der Interzeptionshöhe wurden folgende Beziehungenentwickelt:
I = Pkorr, wenn Pkorr ≤ Imax⋅fak
I = Imax⋅fak, wenn Imax⋅fak < Pkorr ≤ Pgrenz
I = Imax, wenn Pkorr > Pgrenz(23)
I = 0, wenn Pkorr = 0 bzw. Imax = 0
mit
( )( )( )( )grenzmax
korrmax
PIgrenz
PIkorr
PPfak −
−
−⋅−⋅
=e1e1 für 0>korrP
Die Interzeptionshöhe I wird demnach begrenzt- bei geringen Niederschlägen durch die Niederschlagshöhe selbst,- bei großen Niederschlägen durch die Interzeptionskapazität.
Hinzu kommt die Wassermenge IA vom Vortag, wenn die Interzeptionsverdunstung EI kleinerwar als die Interzeptionshöhe I dieses Tages. Dann gilt:
,Amax III −= da stets gelten muss: maxA III ≤+
Für die am Ende eines Tages nicht verdunstete und somit im Interzeptionsspeicher verbleibendeWassermenge IE gilt:
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Pkorr [mm]
I [m
m]
I = Pkorr
Pkorr,grenz
Imax = 3 mm
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
38
IE = IA + I - EI , falls IA + I - EI < Imax
IE = Imax , falls IA + I - EI = Imax(24)
sowie i,Ei,A II =+1 wenn i als Tageszählung gewählt wird.
Für die Interzeptionsverdunstung EI sind zum einen die Speicherfüllung, zum anderen auch dieverfügbare Energie entscheidend, sodass als Randbedingungen gelten:
EI = Etmax , falls IA + I > ETmax
EI = IA + I , falls IA + I ≤ ETmax (25)
Der durch den Interzeptionsspeicher tropfende Tagesniederschlag errechnet sich dann zu
Pkorr* = Pkorr – EI + IA – IE (26)
Die Energie (ohne Anteil für die Interzeptionsverdunstung) ist dann:
ETmax* = ETmax – EI bzw. ETmax* = f ⋅ ET0 – EI. (27)
Die Transpiration (einschließlich Evaporation vom unbewachsenen Boden) ergibt sich aus
ETa* = ETa – EI. (28)
2.6.2 BodenspeicherDer Speicherraum des Bodens ist wesentlich für die Wasserverfügbarkeit. Wichtige bodenhydro-logische Kenngröße ist die Volumenfeuchte FKΘ bei Feldkapazität FK. Ist die BodenfeuchteΘ höher als bei Feldkapazität, tritt Sickerwasser auf. Unterhalb des Feuchtewertes FKΘ wird dasWasser als Haftwasser gegen die Schwerkraft gehalten. Obwohl für FKΘ mit Festwerten derVolumenfeuchte gerechnet wird, handelt es sich um einen mehr oder weniger großenFeuchtebereich für den Übergang vom Haft- zum Sickerwasser oder umgekehrt, der durchHysterese-Effekte (Be- und Entwässerung) geprägt wird.
Den Pflanzen steht für die Verdunstung das Haftwasser bis zur Bodenfeuchte des permanentenWelkepunktes PWPΘ zur Verfügung. Unterhalb dieses Bodenfeuchtebereichs sind Pflanzen nichtin der Lage, dem Boden Wasser zu entziehen. Bodenverdunstung (Evaporation) erfolgt noch un-terhalb dieses Schwellenwertes der Bodenfeuchte. Die für die Evapotranspiration von Pflan-zenbeständen nutzbare Bodenfeuchte entspricht somit dem Feuchtebereich zwischen FKΘ und
PWPΘ (nutzbare Feldkapazität PWPFKnFK ΘΘΘ −= in Volumenprozent).
Durch Wurzeln entnehmen Pflanzen Wasser aus bestimmten Bodentiefen und entsprechend derWurzelausbildung mit nach unten abnehmendem Einfluss.
Durch die Feuchtesenke dieses Bereiches strömt unter dem Einfluss der entstehendenFeuchtegradienten den Wurzeln Wasser aus tieferen und seitlichen Bodenbereichen zu, die nichtdurchwurzelt sind. Dieser Bodenbereich mit der Ausschöpfungstiefe We ist saisonal geprägt undvon Pflanzenart und Klima abhängig. Die maximal verfügbare Wassermenge beträgt
(dm)(Vol%)(mm) WeW nFKpfl ⋅= Θ (29)
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
39
Mit wägbaren Lysimetern kann die Speicheränderung ∆W für das Bodenwasser nur summarischfür die gesamte Lysimetertiefe erfasst werden. Sie enthält Ausschöpfungszone und verduns-tungsunbeeinflussten Bodenbereich mit Überfeuchtung über Feldkapazität im Fall von Was-serversickerung. Eine Lokalisierung dieser Bereiche ist messtechnisch über tiefenabhängigeBodenfeuchtemessungen im Lysimeterbehälter möglich, was in der Vergangenheit selten ge-schah.
Eine näherungsweise Bestimmung des Ausschöpfungsbereiches kann jedoch durch parallele Be-rechnung der Bodenfeuchte unter „inverser“ Anwendung von Bodenwasserhaushaltsmodellenerfolgen.
2.6.2.1 Inverse Nutzung eines Bodenwasserhaushaltsmodells zur Bestimmung derAusschöpfungstiefe
Aus der Vielzahl von Bodenwasserhaushaltsmodellen wurde das durch Wasserhaushalts-untersuchungen im Oberrheingraben getestete Modell von DISSE (1995) mit nichtlinearer
Zuordnung des Quotienten ∗
∗
maxETETa ohne Interzeptionsverdunstung zur Bodenfeuchte
nFKΘ gewählt:
PWPFK
PWP
PWPFK
PWP
rr
r
ee
emaxET
ETa
ΘΘΘΘ
ΘΘΘΘ
−−
−−
−−
−
∗
∗
+−
−=
21
1 . (30)
Die graphische Darstellung von Gleichung (30) findet sich in Bild 28 (hier mit r = 5,0).
Bild 28: Reduktionsbeziehung nach DISSE (1995), modifiziert durch den BeVerdunstung bei Vernachlässigung der Interzeption
Üblicherweise wird die tatsächliche Verdunstung ETa in Abhängigkeit vnFKΘ und der maximalen Verdunstung ETmax berechnet. Hier wird unter
Interzeption aus Tageswerten der mit wägbaren Lysimetern bestimVerdunstung ETa* sowie der nach phänologischen Angaben ermittelten maETmax* über den Quotienten ETa*/ETmax* und die Beziehung nach DISSE (
relative Bodenfeuchte
ETa*
/ETm
ax*
Θ PWP ΘFK
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
5
211
max**
=−
−==
−+−= −−
−
rund
Wxmit
eee
ETETa
PWPFK
PWPrel
rxr
xr
ΘΘΘΘ
FK
Θzug auf die maximale
on der BodenfeuchteVernachlässigung der
mten tatsächlichenximalen VerdunstungGl. (30)) „invers“ die
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
40
zugehörige Bodenfeuchte nFKΘ des verdunstungsbeeinflussten Bodenbereiches ermittelt und zu
Monatsmittelwerten )(M
1Θ zusammengefasst.
Parallel dazu erfolgt die tägliche Berechnung des Wassergehalts in den 2,5 cm mächtigenTeilschichten des Bodenmodells mit aus bodenkundlichen Analysen tiefenabhängigen nFKΘ -Werten bis zum Grund der Lysimeter:
Die Berechnungen beginnen am 1. Januar des 1. Beobachtungsjahres unter der Annahme, dassdie Bodenfeuchte bei Feldkapazität liegt.
Die Wassermenge Pkorr*- ETa* infiltriert in die oberste Bodenschicht (falls Pkorr
* > ETa*) bzw.verlässt diese (falls Pkorr
* < ETa*). Übersteigt die Feuchtigkeit in der obersten Schicht dieFeuchtigkeit bei Feldkapazität, wird die überschüssige Wassermenge in die darunter liegendeTeilschicht weitergeleitet (Versickerung). Unterschreitet die Feuchtigkeit in der obersten Schichtinfolge hoher Verdunstung die Bodenfeuchte bei permanentem Welkepunkt, wird auf denWasservorrat der darunter liegenden Teilschicht zurückgegriffen. Der jeweiligeBodenwasservorrat in den Teilschichten am Ende des Tages entspricht demAnfangswassergehalt des Folgetages. Die Berechnung wird in gleicher Weise nach Raum undZeit fortgesetzt.
Bei der Ermittlung eines Monatsmittelwertes )(2MΘ aus dieser Berechnung des Bodenwasserge-
halts werden die den Bodenfeuchten entsprechenden Wassermengen der einzelnen Teilschichtensolange von oben nach unten aufaddiert, bis eine optimale Übereinstimmung mit )(
M1Θ vorliegt.
Auf diese Weise erfolgt ein Herantasten an die Tiefe, die ausgeschöpft werden muss, damit dasVerhältnis ETa*/ETmax* der DISSE-Kurve erfüllt ist. Die Maximalwerte dieser mittlerenmonatlichen Ausschöpfungstiefe sind für die einzelnen Beobachtungsjahre an der StationBrandis in Tabelle 7 aufgeführt. Bezogen auf die ausgeschöpfte nutzbare Feldkapazität ergibtsich der verfügbare Bodenwasservorrat WeW nFKpfl ⋅= Θ , der neben der Abhängigkeit von derSpeicherkapazität der Böden auch eine Abhängigkeit vom Niederschlagsdargebot aufweist.
Die Maximalwerte der einzelnen Jahre von WenFK ⋅Θ bzw. We werden zu Mittelwerten über diegesamte Beobachtungsreihe zusammengefasst. Damit wird erreicht, dass der WenFK ⋅Θ bzw. We -Wert nicht aus dem zufälligen Zusammentreffen maximaler Bodenwasserausschöpfung (durchKlimaeinfluss) und optimaler Wurzelausprägung (durch Pflanzenarteneinfluss) bestimmt werdenmuss. Mit der hier verwendeten Mittelung wird dem vieljährigen Einfluss von Klima und Vege-tation auf die Bodenwasserausschöpfung besser entsprochen.
ΘnFK,1ΘnFK,2 2,5 cm
Pkorr* Eta*
R
BU
ND
ESA
NST
ALT
FÜ
R G
EWÄ
SSER
KU
ND
E
KO
BLE
NZ
41
Tab
elle
7: A
ussc
höpf
bare
r B
oden
was
serv
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t W
enF
K⋅
Θ u
nd A
ussc
höpf
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We
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Lys
imet
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er S
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eter
grup
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nach
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We
nFK
⋅Θ
[mm
]W
e[m
]
Jahr
P kor
r(g
esam
t)P k
orr, S
o /
P kor
r
Lys
imet
ergr
uppe
5
4
8
11
1
7
9
1
0L
ysim
eter
grup
pe
5
4
8
1
1
1
7
9
1
0
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
810
445
761
623
558
665
704
649
604
644
480
673
795
765
793
581
603
0,47
0,63
0,52
0,63
0,49
0,56
0,56
0,42
0,43
0,57
0,53
0,51
0,61
0,51
0,55
0,69
0,54
70 61 65 53 30 65 24 72 66 46 75 69 34 63 65 48 57
113
108
89
78
66
106
66
101
126
112
120
122
42
87
113
65
71
107
109
81
91
86
121
67
125
125
98
135
118
37
85
102
67
87
141
130
125
100
62
108
50
115
130
128
128
130
31
109
88
77
74
141
119
126
87
63
111
60
113
141
122
145
123
49
44
115
69
115
135
139
135
109
102
144
81
164
152
93
156
163
46
151
96
75
137
213
271
246
141
125
214
73
267
353
382
455
420
43
135
179
224
268
230
320
307
218
162
205
55
209
273
338
441
456
43
86
317
312
315
0,33
0,28
0,30
0,25
0,15
0,30
0,13
0,33
0,30
0,23
0,33
0,30
0,15
0,28
0,30
0,23
0,25
0,45
0,43
0,35
0,30
0,25
0,40
0,25
0,40
0,50
0,43
0,48
0,48
0,18
0,33
0,45
0,25
0,28
0,43
0,43
0,33
0,35
0,35
0,48
0,28
0,50
0,50
0,38
0,53
0,48
0,15
0,33
0,40
0,28
0,35
0,85
0,78
0,75
0,60
0,33
0,65
0,28
0,68
0,78
0,78
0,78
0,78
0,18
0,65
0,50
0,43
0,43
0,63
0,50
0,53
0,35
0,25
0,48
0,25
0,48
0,63
0,50
0,65
0,50
0,20
0,18
0,48
0,28
0,48
0,65
0,68
0,65
0,50
0,45
0,70
0,35
0,83
0,75
0,40
0,78
0,83
0,20
0,75
0,43
0,33
0,65
0,93
1,18
1,08
0,63
0,55
0,93
0,33
1,15
1,50
1,63
1,93
1,78
0,20
0,60
0,78
0,98
1,15
1,00
1,30
1,28
0,95
0,75
0,90
0,25
0,93
1,15
1,38
1,75
1,80
0,20
0,38
1,30
1,28
1,30
gesa
mt
656
0,54
6098
101
104
106
126
239
251
0,26
0,37
0,39
0,60
0,43
0,58
1,02
1,05
P kor
r-
korr
igie
rter F
reila
ndni
eder
schl
agP k
orr,S
o-
korr
igie
rter F
reila
ndni
eder
schl
ag d
es S
omm
erha
lbja
hres
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
42
2.6.2.2 Zusammenhang von Bodenwasserausschöpfung und Effektivitätsparameter nAnalog den für die Lysimeterstation Brandis bestimmten vieljährigen Mittelwerten für
WenFK ⋅Θ bzw. We (Tabelle 7) wurden für weitere Stationen mit wägbaren Lysimetern nach demoben erläuterten Verfahren diese Werte ermittelt. Dafür standen Stationen mit ausreichendenInformationen zu
• Tagesdaten der Wasserhaushaltsgrößen Pkorr und ETa• bodenhydrologischen Kennwerten FKΘ und PWPΘ• vegetationskundlichen Angaben über Pflanzenart und –höhe sowie phänologischen
Terminen, z. B. für die Interzeptionsberechnung• Klimabeobachtungen für die Berechnung der Gras-Referenzverdunstung ET0 und mit dem
Parameter f der maximalen Verdunstung ETmax
zur Verfügung.
Es sind dies folgende Stationen:
• Brandis b. Leipzig (Lysimetergruppen BR1, BR4, BR5, BR7, BR8, BR9, BR10, BR11)Jahresreihe 1981/97, Fruchtfolge
• Büchig b. Karlsruhe (BÜ)Jahresreihe 1993/96, Gras
• Eberswalde (EB1)Jahresreihe 1966/69, Gras
• Eberswalde (EB2)Jahresreihe 1960/64, vegetationsloser Boden
• Groß Lüsewitz b. Rostock (GL)Jahresreihe 1972/96, Fruchtfolge
• Großobringen b. Weimar (GO)Jahresreihe 1987/97, Fruchtfolge
• Hannover-Herrenhausen (HH)Jahresreihe 1967/72, Gras
• Mönchengladbach-Rheindahlen (MR)Jahresreihe 1983/93, Gras
• Niederwerth b. Koblenz (NW1, NW2, NW3)Jahresreihe 1994/98, Gras.
Dem für diese Stationen und Lysimetergruppen aus den mehrjährigen Mittelwerten vonETa,Pkorr , maxET und IE nach der BAGROV-Beziehung bestimmten Effektivitätsparameter n
bzw. n* wurden die Werte WenFK ⋅Θ zugeordnet (Bild 29). Dabei bezieht sich n auf den Einflussvon Interzeptions- und Bodenspeicher, n* nur auf den Einfluss des Bodenspeichers, weil hier dieInterzeptionsverdunstung IE bei maxET,Pkorr und ETa gesondert berücksichtigt wurde. DieBeziehung zwischen n bzw. n* und WenFK ⋅Θ (Bild 29) ist ein wesentlicher parameteroptimierterEinstieg in die deutschlandweite Anwendung der entwickelten Methodik, wobei wegen fehlenderflächendeckender Informationen vereinfachend Interzeptions- und Bodenspeicherzusammengefasst werden (n-Wert).
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
43
Im Klimabereich 1≈maxET
Pkorr dokumentieren die WenFK ⋅Θ -Werte besonders den differenzierten
Einfluss der Speichereigenschaften des Standorts auf den Effektivitätsparameter n (einschließlichInterzeptionsspeicher) bzw. n* (nur Bodenspeicher) des BAGROV-Verfahrens. Über diesenParameter n bzw. n* lassen sich diese Einflüsse mit der BAGROV-Beziehung gut aufniederschlagsarme bzw. –reiche Gebiete extrapolieren.
Bild 29: Effektivitätsparameter n bzw. n* in Abhängigkeit vom Wasservorrat bei nutzbarerFeldkapazität WenFK ⋅Θ (Die Buchstaben bezeichnen die ausgewerteten Lysimeter gemäß Tabelle 6)
2.7 Ergebnisse der Parameterbestimmungen für verschiedeneLandnutzungsformen
Im Ergebnis umfangreicher Optimierungsrechnungen zu den Standortparametern (vgl. Abschnitt2.5.4.4) wurden aus den Beobachtungsdaten der Lysimeter die Parameterwerte n,f und We
sowie ihr Bezug zur Volumenfeuchte nFKΘ der nutzbaren Feldkapazität ermittelt. Nachfolgendwerden sie für die einzelnen Landnutzungsformen
− versiegelte und teilversiegelte Flächen− vegetationslose Böden− Grünland und Grasflächen− Ackerland mit Fruchtfolgen− bewaldete Flächendokumentiert.
WenFK ⋅Θ [mm]
n, n
*
160250 ,We,n nFK +⋅⋅= Θfür Interzeptions- und Bodenspeicher
1602350 ,We,n nFK* +⋅⋅= Θ
nur für Bodenspeicher
WenFK ⋅Θ [mm]
BÜ
HH
EB1
BR9
BR10
BR5
MR
GLBR8
BR4
BR11
BR1 BR7GO
NW2NW3
NW1
EB2
0
1
2
3
4
5
6
7
0 50 100 150 200 250 300
ΘnFK*We, Θ*nFK*We * [mm]
n*
n
[ ]mm*We*Θ.bzwWeΘ FKFK ⋅⋅
n = 0,0235. WenFK ⋅Θ + 0,16
n = 0,025 . WenFK ⋅Θ + 0,16
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
44
2.7.1 Versiegelte und teilversiegelte FlächenAus den Beobachtungsdaten versiegelter wägbarer Lysimeter der Stationen Eberswalde undColbitz (1988/90) und nach Literaturrecherchen ergeben sich die in Tabelle 8 aufgeführtenWerte.
Tabelle 8: Wasserhaushaltsgrößen nach Beobachtungsergebnissen wägbarer Lysimeter und nachLiteraturrecherchen
Station Lysi-meter-
Nr.korrP
[mm a-1]0ET
[mm a-1]f maxET
[mm a-1]ETa
([mm a-1]
n
ColbitzColbitzEberswaldeEberswalde
10945
567567574574
597597672672
0,80,80,80,8
478478538538
140155153190
0,140,170,150,23
nach Beobachtungenund Berechnungen fürdas Berliner Stadtge-biet (1985/87)(WESSOLEK 1994)
Dach-flächen
640 600 0,8 480 105 0,07
In Auswertung dieser Daten und der Untersuchungen im Stadtbereich von Berlin (GLUGLA ETAL., 1999 a) ergeben sich die in Tabelle 9 dargestellten Parameterwerte.
Tabelle 9: Parameterwerte f , n und We
Landnutzungseinheit „Versiegelte Fläche“
Parameter Wert Hinweis0ET/maxETf = 0,80
n 0,16
We in dm 0,60 Bild 29
2.7.2 Vegetationslose BödenAus früheren (GLUGLA, 1966 und 1970) und neueren Auswertungen von Beobachtungsdatenvegetationsloser Lysimeter ergibt sich im Mittel die in Bild 30 dargestellte Abhängigkeit desEffektivitätsparameters n vom Feuchtegehalt nFKΘ der nutzbaren Feldkapazität.
Für die einzelnen Parameter gelten die in Tabelle 10 aufgeführten Beziehungsgleichungen zunFKΘ .
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
45
Bild 30: Effektivitätsparameter n für vegetationslosen Boden in Abhängigkeit von derVolumenfeuchte nFKΘ der nutzbaren Feldkapazität
Tabelle 10: Algorithmen zur Berechnung des Parameters 0ET/maxETf = , der Ausschöpfungs-tiefe We in dm, mit 0≥We und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung, n > 0,
nFKΘ in Vol.%
Landnutzungseinheit „Vegetationslose Fläche“
Parameter Berechnungsgleichung Hinweis
0ET/maxETf = ΘnFK ≤ 8,5 Vol.% → 80,f = (31)ΘnFK > 8,5 Vol.% → 0,64190,0186 +⋅= nFKf Θ (32) Bild 16
n 10100,019700130 2 ,,n nFKnFK +⋅+⋅= ΘΘ (33) Bild 30
We in dmnFK
nFKnFK
,,,We
ΘΘΘ
⋅−⋅+⋅
=0250
05900,019700130 2
(35) mit Bild 31 undGlg. (34)
Zur Berechnung von ( )nFKWe ΘFkt= :0250
160,
,nWenFK−=⋅Θ
(vgl. Bild 29)(34)
Für ausgewählte Werte der Bodenfeuchte nFKΘ der nutzbaren Feldkapazität ergeben sich damitdie in Tabelle 11 mitgeteilten Zahlenwerte für die einzelnen Parameter.
Tabelle 11: Parameterwerte f , n, We sowie WenFK ⋅Θ in Abhängigkeit von der VolumenfeuchtenFKΘ der nutzbaren Feldkapazität für ausgewählte Werte
nFKΘ [Vol %] f n We [dm] WenFK ⋅Θ [mm]5
1015202530
0,800,830,921,011,111,20
0,230,430,691,021,411,86
0,581,071,411,711,992,27
2,910,721,234,249,868, 1
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
5 10 15 20 25 30
ΘnFK [Vol%]
Bagr
ov-W
ert n
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
46
Ergebnisse von Wasserhaushaltsuntersuchungen am Offenland-Standort des Braunkohlen-tagebaus Schlabendorf (Kippenstandort mit Kippensubstrat von nFKΘ ≈ 18 Vol %, spärlicheGräser) und von Messungen an der ehemaligen Lysimeterstation Nochten (Dünensand mit
nFKΘ ≈ 11 Vol %, spärliche Gräser) wurden von BIEMELT (1999) (Tabelle 12) mitgeteilt.
Tabelle 12: Wasserhaushaltsgrößen von Standorten in Tagebaugebieten
(nach BIEMELT, 1999) ( R -Versickerung)
Offenland-Standort 1P[mm a-1]
korrP[mm a-1]
0ET[mm a-1]
ETa bzw.
RPkorr −[mm a-1]
R bzw.ETaPkorr −
[mm a-1]Schlabendorf-Kippe (1961/1990)
Lysimeter Nochten (1967/89)
563
605
628
713
609
609
378
308
250
405
Ein Vergleich der Ergebnisse aus der Anwendung der Parameter-Gleichungen (31), (32), (33)und (35) in Tabelle 13 zeigt für die entsprechenden nFKΘ -Werte von 18 bzw. 11 Vol % unter Be-achtung spärlichen Grasbewuchses gute Übereinstimmung mit den Werten in Tabelle 12.
Tabelle 13: Berechnungsbeispiel des Wasserhaushalts nach dem BAGROV-Verfahren fürausgewählte Werte von nFKΘ , korrP und 0ET unter Berücksichtigung der Tabelle 11 und vonAbschnitt 2.7.3
LandnutzungnFKθ
[Vol.%]korrP
[mm a-1]0ET
[mm a-1]maxET
[mm a-1]ETa
[mm a-1]R
[mm a-1]Tagebau Schlabendorf vegetationslos 9
1213151718
628628628628628628
609609609609609609
493527538561583595
246292307345359372
382336321283269256
Gras (12 cm) 91213151718
628628628628628628
609609609609609609
499532546571593603
320358371400430443
308270257228198185
Lysimeter Nochten vegetationslos 79
1011
713713713713
609609609609
487493504516
236266282297
477447431416
Gras (12 cm) 79
1011
713713713713
609609609609
486501509517
318341354367
395372359346
2.7.3 Grünland und Grasflächen
Mittlere Grashöhe 12 cmWegen der vielfach lückenhaften bzw. fehlenden Daten zur Vegetationshöhe konnte der Einflussder Interzeptionsverdunstung auf den Parameter n* nicht ermittelt werden. Unter der Annahmeeiner mittleren Grashöhe von 12 cm wurde mit Bezug auf Bild 29 die Beziehungsgleichung (34)
1600250 ,We,n nFK +⋅= Θ
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
47
dazu genutzt, mit den n-Werten für alle Lysimeter die entsprechenden WenFK ⋅Θ -Werte zu be-rechnen. In Bild 31 sind die WenFK ⋅Θ -Werte in Abhängigkeit von nFKΘ dargestellt.
Bild 31: WenFK ⋅Θ in Abhängigkeit von der nutzbaren Feldkapazität nFKΘ für Gras mit 12 cm Höhe
Die die Einzelwerte ausgleichende Kurve lautet:nFK.
nFK e,We ΘΘ ⋅⋅=⋅ 102707618 (36)
Nach Einsetzen von WenFK ⋅Θ (Gleichung 36) in Gleichung (34) ist n nur noch von nFKΘabhängig. Die entsprechenden Parametergleichungen sind in Tabelle 14 zusammengestellt:
Tabelle 14: Algorithmen zur Berechnung des Parameters 0ET/maxETf = , der Ausschöpfungs-tiefe We in dm, mit 0≥We und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung, n >0, nFKΘin Vol.% für die Landnutzungseinheit „Grünland/Gras (mittlere Höhe 12 cm)“
Parameter Berechnungsgleichung Hinweis
0ET/maxETf = Vol%11≤nFKΘ → 7108001250cm12 ,,f nFK +⋅= Θ (37)Vol%11>nFKΘ → 0,1614)ln(0,2866cm12 +⋅= nFKf Θ (38) Bild 26
n 160219040 10270cm12 ,e,n nFK, +⋅= ⋅Θ (39) Bild 29
We in dmnFK
, nFK,WeΘ
Θ⋅⋅=10270
12cme76168
(40)Bild 31entsprichtGleichung 36
SE1
StA BAEB
DU
ZI
HSRT
LA
WH SP
BÜEH
SHAL BH
KOHH
NH
WA
SN
DE
SE3AO
MR
GI
OB
NW2
NW1
NW3
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
5 10 15 20 25 30
ΘnFK [Vol%]
ΘnF
KWe
[mm
]
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
48
Variable Grashöhe zB ≠ 12 cmFür Grasland mit einer angenommenen Grashöhe von 35 cm wurde die von nFKΘ abhängigemittlere maximale Bodenwasserausschöpfungstiefe We (Gleichung (47)) näherungsweise dermittleren maximalen Ausschöpfungstiefe aus den Beobachtungen zu Ackerland gleichgesetzt.Zwischen den beiden Randbedingungen
− We für eine Grashöhe von 35 cm (identisch mit Gleichung (47))
− We 12 für eine Grashöhe von 12 cm(identisch mit Gleichung (40))
wurde We in Abhängigkeit von der Grashöhe interpoliert sowie in den unteren Bereich vonminimal etwa 5 cm und in den oberen Bereich von maximal etwa 40 cm Grashöhe extrapoliert.Dafür gilt folgende Beziehungsgleichung:
12cmWecWe We ⋅= (41)
mit Wec nach Tabelle 15.
Die Pflanzenhöhe zB (cm) entspricht nicht der maximalen Höhe, sondern etwa der mittleren„verdunstungswirksamen“ Höhe der Gräser.
Mit diesen Ansätzen gelten folgende Beziehungsgleichungen für die Parameter.
Tabelle 15: Algorithmen zur Berechnung des Parameters 0ET/maxETf = , der Ausschöpfungs-tiefe We in dm, mit 0≥We und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung, n >0,
nFKΘ in Vol.% für die Landnutzungseinheit „Grünland/Gras (variable Höhe)“
Parameter Berechnungsgleichung Hinweis
0ET/maxETf = 12cmf)z(ff Bk ⋅=
5 cm < zB ≤ 20 cm → 0,8321ln(0,0676 +⋅= )zf Bk (42)
zB > 20 cm → 0,966110 0,3710-0,7 225 +⋅⋅+⋅⋅= −−BBk zzf
12cmfsiehe Tabelle 14
n 160219040 10270 ,)e,c(n nFKΘ,We +⋅⋅= ⋅ (43)
55670101601036901013330 112
,,z,z,c nFKBnFKBWe
+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅⋅−= −−− ΘΘ
We in dm 12cmWecWe We ⋅= (44)
55670101601036901013330 112
,,z,z,c nFKBnFKBWe
+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅⋅−= −−− ΘΘ
12cmWesiehe Tabelle 14
2.7.4 Ackerland mit FruchtfolgenNach Ergebnissen von Beobachtungen an Lysimetern mit Ackerland/Fruchtfolgen muss bei derParameterermittlung nach Schwarzerde- und Nicht-Schwarzerdeböden unterschieden werden.Mit Hinweis auf die Bodenübersichtskarte (BÜK 1000) der Bundesanstalt fürGeowissenschaften und Rohstoffe sind zu Schwarzerde bzw. Lößschwarzerde die Böden derLegendennummern 36 bis 41 zu rechnen (Tabelle 23).
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
49
Tabelle 16: Algorithmen zur Berechnung des Parameters 0ET/maxETf = , der Ausschöpfungs-tiefe We in dm, mit 0≥We und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung, n >0, nFKΘin Vol.% für die Landnutzungseinheit „Ackerland“
Landnutzungseinheit „Ackerland“ Nicht-Schwarzerdeböden
Parameter Berechnungsgleichung Hinweis
0ET/maxETf = 0,431)ln(0,221 nFK +⋅= Θf (45) Bild 25n 160e36950 08280 ,,n nFK, +⋅= ⋅Θ (46) Gl.(34) und (47),
Bild 32We in dm
nFK
, nFK,WeΘ
Θ⋅⋅=08280e7814
(47) Bild 29
Landnutzungseinheit „Ackerland“ Schwarzerdeböden
Parameter Berechnungsgleichung Hinweis
0ET/maxETf = 1,101-)ln(0,734 nFKf Θ⋅= (48) Bild 25n 160e638050 09570 ,,n nFK, +⋅= Θ (50) Gl.(34) und (50),
Bild 32We in dm
nFK
, nFKe,WeΘ
Θ⋅⋅=0957052225
(51) Bild 29
Bild 32: WenFK ⋅Θ in Abhängigkeit von der nutzbaren Feldkapazität nFKΘ für Fruchtfolgen
ST
HS
DT
OF
PR
BA
BE
GL
BN
BO
FCBR04
GU
BS
BR07
RT
FRKO
ES
ED
EB
RH
GG
BR01
GR
BR05
HÜHA
BR11HE
MZBM
NE
OT
BR10BR09
GO
Nicht- Schwarzerdeböden
Schwarzerdeböden
0
50
100
150
200
250
300
5 10 15 20 25 30ΘnFK [Vol%]
ΘnF
KWe
[mm
]
BR08
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
50
2.7.5 Bewaldete FlächenUntersuchungen zum Wasserhaushalt forstlicher Kulturen sind wegen der erforderlichen be-trächtlichen Abmessungen von Oberfläche und Tiefe der Lysimeter nur mit Versickerungs-messern möglich. Die tatsächliche Verdunstung lässt sich daher nur für längere Beobachtungs-zeiträume aus der Differenz ETa ≈ SWPkorr − abschätzen, wobei SW die mittlere Sickerwasser-menge an der Basisfläche des nicht wägbaren Lysimeters ist. Der gewählte Zeitraum muss solang sein, dass die Speicheränderungen W∆ im Bodenwasservorrat gegenüber den Größen korrP
und SW vernachlässigbar klein werden. Exakt gilt dies nur für ein vieljähriges Mittel derMessgrößen. Andererseits sind dann Einflüsse des Bestandesalters, forstlicher Maßnahmen, derVariabilität der Klimagrößen usw. auf den Wasserhaushalt immer weniger zu erkennen. Varian-tenuntersuchungen mit unterschiedlich langen Mittelungszeiträumen für die Versuchsstandortehaben ergeben, dass etwa 3-jährige gleitende Mittel zur Berücksichtigung der genannten Be-dingungen ein Optimum darstellen.
Mit den gleitenden 3-jährigen Mittelwerten (Jahresschrittwerte) von korrP und SW( )SWPETa korr −= und mit den entsprechenden aus Klimabeobachtungen berechneten 0ET - bzw.
maxET -Werten (optimierte Parameterwerte f siehe nachfolgend) wurde für die verschiedenenVersuchsstandorte der Effektivitätsparameter n aus der BAGROV-Gleichung (3) bestimmt. AlsBeispiel für die Ausgangsgrößen der Berechnung sind die gleitenden Mittelwerte von
maxET,Pkorr und ETa für aufwachsende Kiefern des Versuchsstandortes Eberswalde-Britz inBild 33 dargestellt, wobei in der Anwuchsphase im Niederschlag noch Bewässerungsgabenenthalten sind. Deutlich ist der vom Bestandesalter abhängige Verlauf der Werte für diemaximale und tatsächliche Verdunstung zu erkennen. Langfristig betrachtet gehenniederschlagsreiche Perioden einher mit verminderter Gras-Referenzverdunstung und damit –trotz veränderlicher f -Werte mit verminderter maximaler Verdunstung. Aus der Differenz derKurven für korrP und ETa ist der trendbehaftete Verlauf für die Versickerung SW erkennbar.
Bild 33: 3-jährige gleitende Mittelwerte von korrP , maxET und ETa (Interzeptionsverdunstungenthalten) in Abhängigkeit vom Bestandesalter, Lysimeter Eberswalde-Britz (1974-1997), Kiefer
200
300
400
500
600
700
800
900
0 5 10 15 20 25
Bestandesalter [Jahre]
P kor
r, ET
max
, ETa
[mm
a-1
]
P + B ETmax ETakorr +
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
51
Die berechneten Werte des Effektivitätsparameters n für die sandigen Kiefernstandorte vonEberswalde-Britz und Colbitz bei Magdeburg sind in Bild 34 zusammengefasst. An beidenLysimeterstationen wurden die Kiefern fast gleichzeitig gepflanzt. Die Schwankungen des n-Wertes sind bedingt sowohl durch forstliche Maßnahmen (Durchforstung) als auch durch dasunterschiedliche Niederschlagsverhalten: Erhöhte Interzeptionsverdunstung bei höheren Nieder-schlägen und starke Schwankungen des Bodenwasservorrats bei Übergang von feuchten zuniederschlagsarmen Phasen oder umgekehrt.
Bild 34: Effektivitätsparameter n nach BAGROV in Abhängigkeit vom Bestandesalter undzugehörige 3-jährige gleitende Mittelwerte von korrP , Lysimeter Eberswalde-Britz (1974-1997) undColbitz-Letzlinger Heide (1973-1996), (Kiefer)
Im Unterschied zum Trend der Versickerung und des Parameters n in der Aufwuchsphase istdiese Größe für das Kiefern-Baumholz der Versuchsstation Liepe bei Eberswalde für dasBestandesalter zwischen 90 und 113 Jahren ausgeglichen, was sich im relativ konstantenVerhalten für den Effektivitätsparameter n ausdrückt (Bild 35).
Den Baumarteneinfluss auf den Gang des Effektivitäsparameters n zeigen die Auswertungen derLysimeterbeobachtungen von Eberswalde-Britz, Colbitz bei Magdeburg und St. Arnold in Bild36. Die Beobachtungsergebnisse von St. Arnold wurden wegen umfangreicher forstlicher Maß-nahmen (Auslichtung, Nachpflanzung) für längere Zeiträume zusammengefasst.
0,1
1
10
100
0 5 10 15 20 25
Bestandesalter [Jahre]
Bagr
ov-P
aram
eter
n
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Pkorr [m
m a
-1]
n (Colbitz, 1973-1996) n (Britz, 1974-1997)P (Colbitz) P (Britz)korr korr
DurchforstungBritz
DurchforstungColbitz
DurchforstungColbitz
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
52
Bild 35: Effektivitätsparameter n nach BAGROV in Abhängigkeit vom Bestandesalter einesKiefern-Baumholzes, Lysimeter Eberswalde-Liepe (1974-1997)
Bild 36: Effektivitätsparameter n nach BAGROV in Abhängigkeit vom Bestandesalter (3-jährigegleitende Mittel bzw. Mittelwert für die angegebene Zeitspanne)
1
10
100
90 95 100 105 110 115
Bestandesalter [Jahre]
Bagr
ov-P
aram
eter
n3-jährige 5-jährige 7-jährige vieljährige Mittel
n = 5,0
0,1
1
10
100
0 5 10 15 20 25 30 35
Bestandesalter [Jahre]
Bagr
ov-P
aram
eter
n
Britz, Douglasie Britz, KieferBritz, Lärche Britz, BucheColbitz, Kiefer St.Arnold, WeymouthskieferSt.Arnold, Eiche/Buche
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
53
Deutlich erkennbar sind die Unterschiede zwischen Nadel- und Laubgehölzen besonders infolgeder unterschiedlichen Interzeptionsverdunstung. Zur Verallgemeinerung der für Nadel- undLaubholz geltenden n-Werte stehen die Beobachtungsdaten für Kiefern und Buche, die gegen-wärtig nur für sandige Standorte vorliegen. Unter Nutzung auch der Ergebnisse für Baumholz(Liepe) und nach Literaturrecherchen (z. B. MÜLLER, 1996 und 1998, MOLČANOV, 1960) stehennäherungsweise für den Effektivitäsparameter n in Abhängigkeit von der Bestandesart (Nadel-wald/Kiefer, Laubwald/Buche) die in Bild 37 mitgeteilten Kurven. Für die Berechnung desParameters n ist in jedem Fall die Kenntnis der maximalen Verdunstung und daher desParameters f erforderlich. Optimierte f -Werte für Nadel- und Laubwald werden in Bild 38mitgeteilt.
Bild 37: Verallgemeinerte Werte des Effektivitätsparameter n nach BAGROV in Abhängigkeitvom Bestandesalter für Kiefer und Buche
Bild 38: Optimierte Werte des Parameters f für Nadelwald in Abhängigkeit vom Bestandesalter
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 20 40 60 80 100 120Bestandesalter [Jahre]
Bag
rov-
Par
amet
er n
Buche
Kiefer
00,2
0,40,6
0,81
1,21,4
1,6
0 20 40 60 80 100 120
Bestandesalter
f
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
54
Der vorstehend ermittelte Effektivitätsparameter n beinhaltet die Einflüsse von Boden- und In-terzeptionsspeicher. Bei Berücksichtigung des kapillaren Wasseraufstiegs flurnahenGrundwassers in die verdunstungsbeeinflusste Bodenzone muss dieser Tiefenbereich desBodenspeichers näherungsweise abgeschätzt werden, sodass die für den Boden geltenden We -Werte vorliegen müssen. Die Trennung der Einflüsse beider Speicher setzt Annahmen zurInterzeptionsverdunstung IE voraus, die für bestimmte Klassen des Bestandesalters nachAngaben in der Literatur (z. B. MÜLLER 1996) näherungsweise aus dem Prozentanteil derInterzeptions- an der Gesamtverdunstung in Abhängigkeit vom Bestandesalter eingeschätztwurden (Tabellen 17 und 18). Weitere umfangreiche Untersuchungsergebnisse wurden genutzt(z. B. RIEK, 1994, 1995).
Mit Hinweis auf die für alle Landnutzungsformen geltende Beziehung (34)
1600250 ,We,n nFK +⋅= Θ
wurde im ersten Teil der Tabellen 17 und 18 eine „fiktive“ mittlere maximale Ausschöpfungs-tiefe We für Vol%12=nFKΘ berechnet, die für Boden- und Interzeptionsspeicher gilt.Bei Berücksichtigung der Interzeptionsverdunstung IE und durch Abzug der Größe IE von
ETa,maxET,Pkorr wird ein neuer Effektivitätsparameter n* berechnet, der nur für den Boden-speicher gilt. Mit diesem n*-Wert wird nach Gleichung (34) der We *-Wert bzw. die für denKapillarwasseraufstieg geltende Größe Web ⋅ * berechnet (2. Teil von Tabellen 17 und 18). DieWe *-Werte sind Flächenmittelwerte mit größeren Werten im Bereich der Bäume und kleinerendazwischen. Die Sickerwassermengen SW ergeben sich aus der Differenz ETaPkorr − .
Die für das Berechnungsbeispiel (Tabellen 17 und 18) ermittelten Wasserhaushaltsgrößen wer-den in Bild 39 für Kiefer und Buche gegenübergestellt. Hauptursache für die Unterschiede sinddie verschiedenen Albedowerte und ihre Auswirkungen auf maxET sowie die im Jahresmittelunterschiedlichen Interzeptionsverdunstungen.
Die vom Bestandesalter abhängigen Parameterwerte sind Grundlage für die Berechnung dieserWerte in Abhängigkeit vom Umtriebs- oder Produktionsalter. Als Umtriebsalter (UA) bezeichnetman die planmäßig festgelegte durchschnittliche Produktionszeit für die Bestände einerNachhalts- (Bestands-) einheit (LEXICON SILVESTRE, 1995). Das Umtriebsalter erfordert beiAnnahme einer gleich verteilten Altersstruktur der Bäume eines bestimmten Gebietes beimParameter f jeweils das arithmetische Mittel aller Jahre bis zum Holzeinschlag (Produktions-alter). Bei den Parametern n und We ist wegen der nicht linearen Beziehungen zu den beein-flussenden Wasserhaushaltsgrößen bei jahresweiser Addition der zu berücksichtigenden Ein-flussgrößen das gewichtete Mittel zu bilden.
Für die flächendeckende Berechnung vieljähriger Mittelwerte der Wasserhaushaltsgrößen desWaldes muss die mittlere Altersstruktur der Bestände beachtet werden. Die Berechnungsglei-chungen für die Parameter f , n und We beziehen sich dann auf das Umtriebsalter. Die dafürgeltenden näherungsweisen Abhängigkeiten für f , n und We sind für Nadel- und Laubwald inden Bildern 40 bis 42 dargestellt. Über Einflüsse des Bodens für die Aufwuchsphase müssenAnnahmen gemacht werden, weil bisher entsprechende Felduntersuchungen fehlen.
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
55
Bild 39: Gegenüberstellung verschiedener Wasserhaushaltsgrößen in Abhängigkeit vomBestandesalter
maximale Verdunstung ETmax
500
600
700
800
900
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Bestandesalter [Jahre]
mm
a-1
tatsächliche Gesamtverdunstung ETa
300
400
500
600
700
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Bestandesalter [Jahre]
mm
a-1
Interzeptionsverdunstung EI
0
100
200
300
400
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Bestandesalter [Jahre]
mm
a-1
Versickerung SW Abflusshöhe R
0
100
200
300
400
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Bestandesalter [Jahre]
mm
a-1
Buche
Kiefer
Buche
Kiefer
Buche
Kiefer
Buche
Kiefer
BU
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56
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Vol
(nF
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= 65
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m a
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m a
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m)
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m)
We
b⋅
*(d
m)
SW(m
m a
-1)
2 -
5
6 -
10
0,86
80,
932
521
559
317
387
0,63
1,01
19
34
1,6
2,8
1,9
8,5
6 33
0,62
0,91
18 301,
52,
52,
03,
233
326
3
11
- 20
21
- 3
01,
040
1,08
862
465
348
452
91,
962,
78 7
210
56,
08,
821
,727
,010
514
31,
501,
9654 72
4,5
6,0
5,8
7,8
160
121
31
- 4
0 4
1 -
50
1,10
01,
100
660
660
535
534
2,87
2,87
108
108
9,0
9,0
27,7
27,3
148
146
2,02
2,02
74 746,
26,
28,
18,
111
511
6
51
- 6
0 6
1 -
70
1,10
01,
100
660
660
531
527
2,77
2,67
104
100
8,7
8,3
26,7
26,2
142
138
1,96
1,90
72 706,
05,
87,
87,
511
912
3
71
- 8
0 8
1 -
90
1,10
01,
100
660
660
523
521
2,58
2,50
97
94
8,1
7,8
25,6
25,0
134
130
1,85
1,83
68 675,
75,
67,
47,
312
712
9
91
- 10
010
1 –
110
1,10
01,
100
660
660
518
517
2,44
2,41
91
90
7,6
7,5
24,3
24,0
126
124
1,79
1,77
65 645,
45,
37,
06,
913
213
3
111
–120
1,10
066
051
52,
34 8
77,
323
,512
11,
7463
5,2
6,8
135
2 –
300
1.09
365
651
12,
30 8
67,
221
,911
21,
7664
5,3
6,9
139
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
58
Bild 40: Parameter f für Nadel- und Laubwald auf verschiedenen Böden in Abhängigkeit vomUmtriebsalter (UA)
Bild 41: Effektivitätsparameter n nach BAGROV in Abhängigkeit vom Umtriebsalter von Laub-und Nadelwald für bindige Böden (schwarze Linien) und sandige Böden (blaue Linien)
Bild 42: We als Funktion des Umtriebsalters von Laub- und Nadelwald für bindige und sandigeBöden
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Umtriebsalter UA [Jahre]
n
bindige Böden
sandige Böden
Nadelw ald (Kiefern)
Laubw ald (Buchen)
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Umtriebsalter UA [a]
f bindige Böden
sandige Böden
Nadelwald (Kiefern)
Laubwald (Buchen)
[Jahre]
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
0 50 10 15 20 25 30 35 40Umtriebsalter UA
We
[m]
sandige Böden
bindigeBöd
Laubwald
Nadelwal
[Jahre]
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
59
Die Berechnungsgleichungen für die Parameter f , n und We in Abhängigkeit vom UmtriebsalterUA werden unterschieden nach Nadel- und Laubwald sowie nach sandigen ( nFKΘ <16 Vol %)und bindigen ( nFKΘ 16 >Vol %) Böden nachfolgend mitgeteilt.
Tabelle 19: Algorithmen zur Berechnung des Parameters 0ET/maxETf = , der Ausschöpfungs-tiefe We in dm, mit 0≥We und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung, n >0, ΘnFKin Vol.% für Wald
Landnutzungseinheit „Nadelwald“ sandige Böden ( nFKΘ ≤ 16 Vol.%)Parameter Berechnungsgleichung Hinweis
0ET/maxETf = UA ≤ 130 Jahre →
1
6125947
35231
1035601022301057850108052010639240100,2694 0,8
SNf
UA,UA,UA,UA,UA,UAf
=
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+=−−−
−−−
UA > 130 Jahre → (51)
2
252 10178,010
SNf
UAUA0,108 1,35f
=
⋅⋅+⋅⋅−= −−
Bild 40
n UA ≤ 20 Jahre →33221 10220108360100,129 0,5 UA,UA,UAn ⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−= −−−
UA > 20 Jahre → (52)
61351047
35221
1059010603010261401064701010100,92 0,38
UA,UA,UA,UA,UA,UAn
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+=−−−
−−−
Bild 41
We in dm UA ≤ 50 Jahre →
695645
33221
10568,010102,01066,010169,0101118,010
UAUAUAUAUAUA0,199 0,07We
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+=
−−−
−−−
UA > 50 Jahre → (53)37242 1016,01014,010 UAUAUA0,3641,16 We ⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+= −−−
Bild 42
Landnutzungseinheit „Nadelwald“ bindige Böden ( nFKΘ >16 Vol.%)
Parameter Berechnungsgleichung Hinweis
0ET/maxETf = UA ≤ 130 Jahre → 11,03 SNff ⋅=
UA > 130 Jahre → 231,0 SNff ⋅= (54)1SNf und 2SNf
siehe sandigeBöden, Bild 40
n UA ≤ 20 Jahre →34222 108010480100,347 0,8 UA,UA,UAn ⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−= −−−
UA > 20 Jahre → (55)
51148
35231
10929010942010380107690100,797 0,73
UA,UA,UA,UA,UAn
⋅⋅+⋅⋅−
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+=−−
−−−
Bild 41
We in dm UA ≤ 50 Jahre →
695645
33221
10588,010109,010729,01020116,0101694,010
UAUAUAUAUAUA0,1850,214 We
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+=
−−−
−−−
UA > 50 Jahre → (56)37242 10173,0101493,010 UAUAUA0,381,16 We ⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+= −−−
Bild 42
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
60
Landnutzungseinheit „Laubwald“ sandige Böden ( nFKΘ ≤ 16 Vol.%)
Parameter Berechnungsgleichung Hinweis
0ET/maxETf = UA ≤ 90 Jahre →
1
6105846
34232
101094601034940104220102330105080100,25 0,84
SLf
UA,UA,UA,UA,UA,UAf
=
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅+=−−−
−−−
UA > 90 Jahre → (57)
2
38253 1016860101550100,49 1,038
SLf
UA,UA,UAf
=
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+= −−−
Bild 40
n UA ≤ 90 Jahre →
6105745
33224
1071901022901028280101660104220100,4 0,5
UA,UA,UA,UA,UA,UAn
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−=−−−
−−−
UA > 90 Jahre → (58)37242 101212101010880100,3056 2,0 UA,UA,UAn ⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+= −−−
Bild 41
We in dm UA ≤ 50 Jahre →
4634
232
10112,0101558,0105678,010
UAUAUAUA0,699 0,077We
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅+=
−−
−−
UA > 50 Jahre → (59)
61451148
35231
1039499,0105818,01034068,01010058,0101566,010
UAUAUAUAUAUA0,11890,3 We
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+=
−−−
−−−
Bild 42
Landnutzungseinheit „Laubwald“ bindige Böden ( nFKΘ >16 Vol.%)
Parameter Berechnungsgleichung Hinweis
0ET/maxETf = UA ≤ 100 Jahre → 11,05 SLff ⋅=
UA > 100 Jahre → 251,0 SLff ⋅= (60)
1SLf und2SLf siehe sandige
Böden,Bild 40
n UA ≤ 90 Jahre →
6105745
33222
1027501010940101646010115101034340100,546 0,813
UA,UA,UA,UA,UA,UAn
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−=−−−
−−−
UA > 90 Jahre → (61)38252 10587701056670100,1698 2,1 UA,UA,UAn ⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+= −−−
Bild 41
We in dm UA ≤ 50 Jahre →
47
34232
10985,01014,010534,010
UAUAUAUA0,43750,223 We
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅+=
−
−−−
UA > 50 Jahre → (62)
41037
242
10431,010409,0101351,010
UAUAUAUA0,151430,608 We
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+=
−−
−−
Bild 42
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
61
2.8 Einfluss der Parallelität der Jahresgänge von Wasser- und Energie-verfügbarkeit auf den Effektivitätsparameter n nach BAGROV
In den vorangegangenen Abschnitten wurden eingehend die Einflüsse der Speicherkapazität desBodens und der Interzeption (vor allem bewaldeter Standorte) auf den Effektivitätsparameter nnach BAGROV untersucht.
Aber auch der klimabedingte Grad der Parallelität von Wasser- und Energieverfügbarkeit imJahresgang hat Einfluss auf die Effektivität des Standortes für die Verdunstung. Unter sonst glei-chen Boden- und Landnutzungsbedingungen steigt die mittlere jährliche Verdunstung an, wennder Anteil der sommerlichen Niederschläge am Jahresmittelwert größer wird. Das heißt, es stehtzu Zeiten hoher Energieverfügbarkeit ein höheres Wasserangebot zur Verfügung. Diese anteiligehöhere Wasserverfügbarkeit im Sommerhalbjahr ist einerseits klimabedingt und regionalunterschiedlich, andererseits kann der Einfluss auf die Effektivität des Standortes imVerdunstungsprozess noch größer werden, wenn Flächen beregnet werden oder kapillarerWasseraufstieg aus flurnahem Grundwasser in die verdunstungsbeeinflusste Bodenzone auftritt.Für das Gebiet Deutschlands liegt der Anteil des mittleren korrigierten Sommerniederschlages
korrP am Jahresniederschlag etwa im Bereich von 0,45 bis 0,65.
In der Beschreibung zu den HAD-Karten 2.3 (Mittlere Niederschlagshöhe Sommerhalbjahr(ohne Korrektur)) und 2.4 (Mittlere Niederschlagshöhe Winterhalbjahr (ohne Korrektur)) werdenfolgende Niederschlagstypen ausgewiesen:
MeerestypNiederschlagsminimum im Frühjahr und Niederschlagsmaximum im Herbst,
SommerniederschlagstypNiederschlagsmaximum in den Sommermonaten, untergliedert in Bereiche stärkerermaritimer bzw. kontinentaler Einflüsse,
Mittelgebirgstypnicht besonders ausgeprägte Maxima im Sommer und im Winter,
WinterniederschlagstypMaximum der Winterniederschläge in den hohen Lagen der Mittelgebirge.
Der Quotient korrSo,korr P/P nimmt zum Beispiel in den hohen Lagen des Harzes, des Sauerlandesund der Eifel niedrige Werte an, in Bayern (z. B. Raum München) eher hohe Werte. Er liegt fürdie Gesamtheit der ausgewerteten Lysimeterstationen im Bereich zwischen 0,5 und 0,6 mit einerHäufung um 0,55.
Sein Einfluss auf den Effektivitätsparameter n wird mittels eines Korrekturfaktors aberücksichtigt:
nK = a � n (63).
Zur Quantifizierung des Faktors a wurde der Effektivitätsparameter n näherungsweise für zu-sammenhängende mehrjährige Beobachtungsreihen wägbarer Lysimeter mit über- bzw. unter-durchschnittlichen Werten des Quotienten korrSo,korr P/P bestimmt. Diese Ergebnisse, die zwarnicht den gesamten Schwankungsbereich des Quotienten für Deutschland beinhalten, sinddennoch wichtige Anhaltspunkte für die Quantifizierung von a.
In Auswertung vieljähriger Beobachtungsreihen beregneter Lysimeter mit Fruchtfolgen und Gras(GLUGLA ET AL., 1981, KRAMER ET AL., 1982) konnte der Faktor a über berechnete n-Werteunberegneter und unterschiedlich stark beregneter Lysimeter abgeschätzt werden.Erwartungsgemäß ist die Verdunstung von beregneten Standorten größer als von unberegneten.Die größere Häufigkeit der Wasserverfügbarkeit im Sommerhalbjahr vergrößert die Speicher-
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
62
wirkung von Boden und Pflanzenteilen (Interzeptionsspeicher) und damit die Verdunstung zuZeiten hohen Energieangebotes. Begünstigt wird dieser Effekt noch durch die an beregnetenStandorten größere Pflanzenmasse. Dieses führt schließlich bezogen auf das Jahresmittel derWasserhaushaltsgrößen und des Effektivitätsparameters n insgesamt zu höheren n-Werten,d. h. nK>n.
Im Ergebnis der oben genannten Auswertung von Lysimetern mit Beregnung ( B ) wurdenTrendlinien für den Quotienten a = nK/n als Funktion von )BP( So,korr + / )BP( korr + für Acker- undGrünland abgeleitet (Bild 43).
Bild 43: Korrektur des Effektivitätsparameter n nach BAGROV unter Berücksichtigung desNiederschlages im Sommerhalbjahr und bei Beregnung
Gleiches gilt auch für den Einfluss kapillaren Wasseraufstiegs flurnahen Grundwassers auf denParameter n (Abschnitt 2.4.3), der über die mittlere jährliche Kapillarwassermenge KR imQuotienten berücksichtigt wird. Mit Bezug auf Bild 43 ergeben sich Trendlinien, die für diegenannten Landnutzungen repräsentativ sein sollen.
Mit )KRBP/()KRBP(x korrSo,korr ++++= und
So,korrP Niederschlagssumme des hydrologischen Sommerhalbjahres(1. Mai – 31. Okt.)
gilt für:
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80
(Pkorr,So + B) / (Pkorr + B)
a =
n K /
n
Grünland-Situationen:- Falkenberg b. Osterburg- Seehausen/Wische
Ackerland-Situationen:- Müncheberg- Seehausen/Wische
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
63
Ackerland und Waldflächen:
x,
x,,
nna K
−−
−+==
115420
)1(05136080 3 (64)
Grünland sowie vegetationslose und versiegelte Flächen:
3)1(01890770
x,,
nna K
−+== (65)
Bei der deutschlandweiten klimabedingten Berücksichtigung des korrigierten n-Wertes wird –wenn nicht beregnet wird – für die Bereiche ( ) ( )KRP/KRP korrSo,korr ++ < 0,5 bzw.( ) ( )KRP/KRP korrSo,korr ++ > 0,6 die Trendlinie von Grünland vorgeschlagen. Bei Beregnung vonAcker- oder Grünland werden die Trendlinien ( ) ( )( )KRBP/KRBPa korrSo,korr ++++= Fktentsprechend dieser Landnutzungen gewählt. Für vegetationslose und versiegelte Flächen wirdfür die Bereiche des Quotienten ( ) ( )KRP/KRP korrSo,korr ++ < 0,5 bzw. ( ) ( )KRP/KRP korrSo,korr ++ > 0,6die Trendlinie für Grünland vorgeschlagen, wobei B und KR Null gesetzt werden.
2.9 Bedingungen für den Einsatz des BAGROV-Verfahrens zur Berechnungvieljähriger Mittelwerte des Wasserhaushalts
Der umfassende Einsatz der BAGROV-Beziehung (Gleichung 3) zur Berechnung vieljährigerMittelwerte der tatsächlichen Verdunstung ETa erfordert die flächendeckende Kenntnisvieljähriger Mittelwerte der klimatologischen Haupteinflussgrößen korrigierter Niederschlag
korrP und maximale Verdunstung 0ETfmaxET ⋅= sowie des Effektivitätsparameters n nachBAGROV. Dieser Parameter n quantifiziert den Einfluss der mittleren Wasserverfügbarkeit(Boden- und Interzeptionsspeicher) des jeweiligen Standortes auf die tatsächliche Verdunstung.Er ist ferner durch die mittlere Energieverfügbarkeit ( maxET ) festgelegt. Die entsprechendenBerechnungsgleichungen für f und n sind im Abschnitt 2.7 zu finden bzw. im Anhangzusammengefasst.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die notwendige Länge des Mittelungszeitraums für die Anwen-dung des BAGROV-Verfahrens:
Für kürzere Zeitabschnitte (Tage ...) ist der Quotient ETa/ETmax insbesondere von der aktuellenVerfügbarkeit von Bodenwasser im Ausschöpfungsraum (vgl. DISSE-Kurve, Abschnitt 2.6.2.1),aber auch von der aktuellen Verfügbarkeit von Niederschlagswasser auf der Pflanzenoberfläche(vgl. Interzeptionsspeicher, Abschnitt 2.6.1) abhängig.
Zur Quantifizierung mittlerer Werte des Quotienten maxET/ETa muss die mittlere Ver-fügbarkeit von Wasser im Boden- und Interzeptionsspeicher bekannt sein. Im BAGROV-Verfahren wird die mittlere Verfügbarkeit durch den Quotienten maxET/Pkorr wiedergegeben,während im Wesentlichen der Einfluss der spezifischen Standortbedingungen für die zeitlicheund räumliche Verfügbarkeit des stochastisch verteilten Niederschlags durch denEffektivitätsparameter n quantifiziert wird. Wie lang dieser Mittelungszeitraum sein muss, hängtvor allem vom Verhältnis der Vorfeuchte im Boden zur Bodenfeuchte des gewähltenMittelungszeitraums ab. Klärung bringen gleitende Mittelwerte unterschiedlich langer Reihenvon Monatswerten (schrittweise) korrigierter Niederschläge Pkorr, maximaler Verdunstung ETmaxund tatsächlicher Verdunstung ETa von Lysimeterbeobachtungen. Untersucht wurden aus langen
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
64
Reihen von Monatswerten dieser Größen unterschiedliche gleitende Mittel (Monatsschritte) desQuotienten maxET/ETa in Abhängigkeit vom Quotienten maxET/Pkorr . Dabei wird mitzunehmender Länge des Mittelungszeitraums die Streuung der einzelnen gleitenden Mittelwertegeringer und die Punktwolke konzentriert sich bezogen auf die BAGROV-Beziehung aufden Wert des Effektivitätsparameters n des Versuchsstandortes (Bild 44).
Für die Lysimetergruppe 10 der Station Brandis (Fruchtfolge, tiefgründiger Löß mitmm250≈⋅WenFKΘ und n = 6,51) trat dieses nach einem Mittelungszeitraum von etwa 15 Jahren
ein. Für die Lysimetergruppe 5 (Fruchtfolge, geringmächtiger Sandlöß über kieshaltigem Sandmit mm60≈⋅WenFKΘ und n = 1,65) reichten schon Mittelwerte von etwa 10 Jahren aus. BeiMittelwerten von 30 Jahren kann davon ausgegangen werden, dass selbst bei bewaldetenStandorten mit hohen Speicherwerten von Boden- und Interzeptionswasser die regional un-terschiedlichen mittleren Bodenfeuchtebedingungen in Deutschland mit ausreichender Sicherheitdurch den Quotienten maxET/Pkorr quantifiziert werden können.
Bild 44: Einfluss der Länge des Mittelungszeitraumes auf die Abhängigkeit des QuotientenmaxET/ETa von maxET/Pkorr (Brandis, Lysimeter 5)
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00
GM6GM12GM24GM60GM120GM168MW aus GM168Bagrov, n=1.65
z.B.: GM6Gleit.Mittel ü.6 Monate
ETaETmax
PkETmax
= 0.96
PkETmax
n = 1.65
n = 2
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
65
3 Anwendung des Wasserhaushaltsverfahrens BAGLUVAZur Berechnung der vieljährigen Mittelwerte (1961/1990) der tatsächlichen Verdunstungshöheund der Gesamtabflusshöhe für jede Rasterfläche von jeweils 1 km2 in Deutschland werden diein den bisherigen Abschnitten dargelegten methodischen Grundlagen und Algorithmen desWasserhaushaltsverfahrens BAGLUVA genutzt. Nachfolgend werden das Berechnungsschema,die benötigten und verfügbaren Eingabedaten sowie Berechnungsergebnisse eingehenddargestellt und analysiert. BAGLUVA wurde speziell auf die Anforderungen undEingangsgrößen im HAD für die Berechnungen zu den Atlastafeln 2.13 („TatsächlicheVerdunstungshöhe“) und 3.5 („Abflusshöhe“) zugeschnitten. Bei Vorliegen der benötigtenEingangsgrößen in der entsprechenden Form lassen sich die beiden Wasserhaushaltsgrößendamit aber auch für andere Anwendungen ermitteln.
3.1 Verfahrensgrundlagen und Algorithmen
Das Grundkonzept des Wasserhaushaltsverfahrens ist in Bild 45 schematisch dargestellt. Be-rechnungsgrundlagen und Datenverfügbarkeit orientieren sich an der vorrangigen Nutzung desVerfahrens für die Erarbeitung der Karteninhalte „Mittlere jährliche tatsächlicheVerdunstungshöhe“ (Atlastafel 2.13) und „Mittlere jährliche Abflusshöhe“ (Atlastafel 3.5) desHydrologischen Atlas von Deutschland (HAD) in digitaler und analoger Form (HAD, 2001). Dieinsgesamt im Abschnitt 2 dargelegten methodischen Grundlagen gestatten jedoch beientsprechender Verfügbarkeit der Eingangsdaten auch eine detailliertere Berechnung mit höhererAussagekraft und Genauigkeit der Ergebnisse, z. B. für die Ermittlung des regionalenWasserdargebots.
Die Berechnungen werden zunächst für die Landnutzungseinheiten
− versiegelte Flächen− vegetationslose Flächen− Grünland− Ackerland− Laubwald− Nadelwald− Gewässerdurchgeführt. Sind für eine Grundflächeneinheit verschiedene Landnutzungen angegeben, erfolgteine flächenanteilig gewichtete Mittelung der berechneten Wasserhaushaltsgrößen für die in derGrundfläche vorkommenden Landnutzungseinheiten.
Die Wasserhaushaltsberechnung wird in folgenden Bearbeitungsschritten durchgeführt:
1. Für die Zeit mit Schneedecke wird - außer für Waldflächen - für alle Landnutzungsein-heiten entsprechend der Andauer die maximale Verdunstung gleich derSchneeverdunstung also der tatsächlichen Verdunstung gesetzt (Abschnitt 2.5.3.1).
2. Für Zeiträume ohne Schneedecke wird mit dem- Parameter f als Funktion von Landnutzung und Volumenfeuchte der nutzbaren
Feldkapazität nFKΘ (Abschnitt 2.5.4 und 2.7) sowie mit der- Gras-Referenzverdunstung 0ET (Abschnitt 2.5.1)die maximale Verdunstung maxET berechnet.
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
66
Bei Hangneigung wird der Parameter f durch den von Hangneigung und –expositionabhängigen Parameter Hf (Abschnitt 2.5.3.2) modifiziert:
0ETffmaxET H ⋅⋅=
3. Der Effektivitätsparameter n wird bei flurfernem Grundwasserstand festgelegt für- versiegelte Flächen mit konstantem Wert 0,16 (Abschnitt 2.7.1),- vegetationslose Flächen in Abhängigkeit von der Volumenfeuchte nFKΘ bei
nutzbarer Feldkapazität (Abschnitt 2.7.2),- Grün- und Ackerland in Abhängigkeit von der Volumenfeuchte nFKΘ bei
nutzbarer Feldkapazität (Abschnitt 2.7.3 und 2.7.4),- Laub- und Nadelwald in Abhängigkeit vom Bestandes- bzw. Umtriebsalter UA
(Abschnitt 2.7.5). Ferner wird nach sandigen bzw. bindigen Böden unterschieden (Bereiche von nFKΘ ), die nach der Legendennummer der BÜK1000 ausgewiesen werden. Vorschläge für die näherungsweise Festlegung des Umtriebsalters UAbewaldeter Flächen enthält Tabelle 20
4. Bei flurnahem Grundwasser mit Kapillarwasseraufstieg ( KR ), bei Beregnung ( B ) und beiklimabedingt kleinerem bzw. größerem Sommeranteil des Niederschlages ( So,korrP ) wirdder Effektivitätsparameter korrigiert: nanK ⋅= (Abschnitt 2.8).
5. Die Berechnung des mittleren Kapillarwasseraufstiegs KR in die Auschöpfungszoneerfolgt in Abhängigkeit vom Grundwasserflurabstand zG, von nFKΘ und von Web ⋅(Abschnitt 2.4.3 und 2.6.2.2).
6. Anwendung der BAGROV-Beziehung (3) unter Nutzung der Größen korrigierterNiederschlag korrP sowie n bzw. Kn und Berechnung von maxET/ETa und ETa(Abschnitt 2.6 und 2.9).
Berechnung der Abflusshöhe (Gesamtabfluss): ETaPR korr −=
Tabelle 20: Festlegung des Umtriebsalters UA bewaldeter Flächen (nach MÜLLER, 1999)
Landnutzung Höhenlage und Zuordnung zu 0ET Umtriebsalter UA (Jahre)
m ü. NN0ET (mm a-1) nährstoffarme Böden*) nährstoffreiche Böden**)
Nadelwald(weitgehend Kiefer) < 300 ≥ 525 110 100(weitgehend Fichte) 300 – 700 450 – 525 90 80(weitgehend Fichte) > 700 <450 130 120Laubwald 170 140*) BÜK1000 Legendennummern 10, 12, 17, 23, 31, 33, 34, 57, 63, 71 (sandige Böden)**) BÜK1000 alle übrigen Legendennummern (bindige Böden)
3.2 Erforderliche Eingangsdaten und ihre Verfügbarkeit
Die erforderlichen Eingangsdaten sind in Bild 45 dargestellt. Sie lassen sich untergliedern inDaten des Klimas, der Landnutzung, der Geomorphologie, des Bodens, der Grundwasserver-hältnisse und anthropogener Einflüsse, wie Beregnung. Die erforderlichen Informationen liegenentweder als Vektordatensatz (z. B. Landnutzung, Boden) oder als Rasterdatensatz mit 1 km2-
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
67
Raster (z. B. Klima, Schneedecke) vor. Dieses 1 km2-Raster wird zur detaillierteren Betrachtungder Landnutzung in 500 m x 500 m-Flächen als Arbeitsraster unterteilt.
3.2.1 Klimadaten einschließlich Schneedecke und GewässerverdunstungErforderliche Klimadaten sind flächendifferenzierte (1 km2) vieljährige Mittelwerte (1961/1990)
- des korrigierten Niederschlages korrP und- der Gras-Referenzverdunstung 0ETsowie des mittleren Jahresgangs (Monatswerte) beider Größen. Sie werden in digitaler Form(digHAD) vom Deutschen Wetterdienst (DWD) bereit gestellt (HAD-Atlastafeln 2.5 und 2.6sowie 2.12).
Die Daten zur Schneedecke in Form der
- mittleren Tageszahl der Schneedecke des ersten ( ATZ ) bzw. letzten Tages ( ETZ ) mit einerSchneehöhe ≥ 1 cm
- mittleren Zahl des Tages ( MAXTZ ) mit der maximalen Schneedeckenhöhe des Winters- mittleren Zahl der Tage ( DS ) mit einer ununterbrochenen („fiktiven“) Schneedecke
liegen ebenfalls in digitaler Form vor (HAD-Atlastafel 2.10).
Vieljährige Mittelwerte der Verdunstung wE freier Wasserflächen werden vom DWD bestimmt.Die Berechnung von wE erfolgt nach dem DALTON-Ansatz (DVWK 1996) in Abhängigkeitvon den erforderlichen Klimawerten nahe gelegener Stationen. Die regionale Extrapolation derKlimadaten wird im Bergland unter Beachtung der Geländehöhe der Gewässerflächen vorge-nommen.
Berechnungen werden durchgeführt für unterschiedliche Gewässerarten (stehende Gewässer,Fließgewässer, Talsperren mit Grundablass ...) für eine Standardtiefe von 6 m.
3.2.2 LandnutzungGrundlage für die Ausgliederung der Bodenbedeckung ist der CORINE-Vektordatensatz (StBA,1994). Die Untergliederung der Bodenbedeckung erfolgt für die Landnutzungsformen der Ebene3 (Arten) mit den Kennziffern 1.1.1 bis 5.2.3 (Tabelle 21).
Für die jeweiligen Arten der Bodenbedeckung (Kennziffern 1.1.1 bis 5.2.3) stehen nachAbschnitt 3.1 bestimmte Landnutzungseinheiten/Hydrotope (versiegelte Flächen, ....., Gewässer)bzw. werden anteilige Kombinationen dieser Landnutzungseinheiten vorgeschlagen (Tabelle 22).Für diese Zuordnung der Landnutzungseinheiten zu den Arten der Bodenbedeckung warenErläuterungen zur CORINE-Datei hilfreich (StBA, 1994, PERDIGĀO, 1997). Zum UmtriebsalterUA bewaldeter Flächen können nach J. MÜLLER (1999) für Nadel- und Laubwald in Deutschlandnur Richtwerte in Abhängigkeit vom Nährstoffgehalt der Böden und der Höhenlage angegebenwerden (Tabelle 20).
Die Untergliederung nach Arten der Ebene 3 der CORINE-Datei führt einerseits zu relativgeringen Unterschieden der ermittelten Wasserhaushaltsgrößen, z. B. der Arten 2.1.1, 2.4.1,2.4.2 und 2.4.3, andererseits ergeben sich z. B. für die urban geprägten Einheiten 1.1.1 und 1.1.2große Unterschiede im berechneten Wasserhaushalt. Hier würde eine Erweiterung der Nomen-klatur mit vom Versiegelungsgrad abhängiger Untergliederung zu wesentlich detaillierterenAussagen im Wasserhaushalt urban geprägter Gebiete führen (GLUGLA ET AL., 1999a, MOSIMANET AL., 1999).
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68
Tabelle 21: CORINE Land Cover Nomenklatur der Bodenbedeckungen
Ebene 1 - Bereiche Ebene 2 - Gruppen Ebene 3 - Arten
1. Bebaute Flächen1.1 Städtisch geprägte Flächen
1.2 Industrie-, Gewerbe- und Verkehrs-flächen
1.3 Abbauflächen, Deponien undBaustellen
1.4 Künstlich angelegte, nicht land-wirtschaftlich genutzte Grünflächen
1.1.1 Durchgängig städtische Prägung1.1.2 Nicht durchgängig städtische Prägung1.2.1 Industrie- und Gewerbeflächen1.2.2 Straßen-, Eisenbahnnetze und funktionell
zugeordnete Flächen1.2.3 Hafengebiete1,2,4 Flughäfen1.4.1 Abbauflächen1.4.2 Deponien und Abraumhalden1.4.3 Baustellen1.4.1 Städtische Grünflächen1.4.2 Sport- und Freizeitanlagen
2. Landwirtschaftliche Flächen
2.1 Ackerflächen
2.2 Dauerkulturen
2.3 Grünland2.4 Landwirtschaftliche Flächen hete-
rogener Struktur
2.1.1 Nicht bewässertes Ackerland2.1.2 Regelmäßig bewässertes Ackerland2.1.3 Reisfelder2.2.1 Weinbauflächen2.2.2 Obst- und Beerenobstbestände2.2.3 Olivenhaine2.3.1 Wiesen und Weiden2.4.1 Einjährige Kulturen in Verbindung mit
Dauerkulturen2.4.2 Komplexe
Parzellenstrukturen/Kleingärten2.4.3 Landwirtschaftlich genutztes Land mit
Flächen natürl. Bodenbedeckung vonsignifikanter Größe
2.4.4 Land- und forstwirtschaftliche Flächen
3. Wälder und naturnaheFlächen
3.1 Wälder
3.2 Strauch- und Krautvegetation
3.3 Offene Flächen ohne/mit geringer Vegetation
3.1.1 Laubwälder3.1.2 Nadelwälder3.1.3 Mischwälder3.2.1 Natürliches Grünland3.2.2 Heiden und Moorheiden3.2.3 Hartlaubbewuchs3.2.4 Wald-Strauch-Übergangsstadien3.3.1 Strände, Dünen und Sandflächen3.3.2 Felsflächen ohne Vegetation3.3.3 Flächen mit spärlicher Vegetation3.3.4 Brandflächen3.3.5 Gletscher und Dauerschneegebiete
4. Feuchtflächen4.1 Feuchtflächen im Landesinnern
4.2 Feuchtflächen an der Küste
4.1.1 Sümpfe4.1.2 Torfmoore4.2.1 Salzwiesen4.2.2 Salinien4.2.3 In der Gezeitenzone liegende Flächen
5.Wasserflächen5.1 Wasserflächen im Landesinnern
5.2 Meeresgewässer
5.1.1 Gewässerläufe5.1.2 Wasserflächen5.2.1 Lagunen5.2.2 Mündungsgebiete5.2.3 Meere und Ozeane
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69
Tabelle 22: Anteile der im Wasserhaushaltsverfahren BAGLUVA verwendeten Landnutzungs-einheiten an den Landnutzungsarten der CORINE-Nomenklatur (s. Tabelle 21 und Text)
Landnut-zungsart
versiegelteFläche
vegetations-lose Fläche
Grünland Ackerland Laubwald Nadelwald Ge-wässer
Nr. [%] [%] [%] zB [cm] [%] [%] UA [a] [%] UA [a] [%]1.1.1 80 10 12 10 1001.1.2 35 20 12 20 15
1010030
1.2.1 85 10 12 5 1001.2.2 50 20 20 12 10 1001.2.3 80 10 10 121.2.4 30 70 121.3.1 70 25 12 51.3.2 80 20 121.3.3 20 801.4.1 50 12 50 1001.4.2 15 60 12 5 10
1010030
2.1.1 1002.1.2 100
(2.1.3)+2.2.1 100 252.2.2 100 20
(2.2.3)+2.3.1 100 20
2.4.1+ 50 20 502.4.2 35 20 40 25 102.4.3 35 20 40 15 50 10 50
2.4.4+ 25 20 25 30 100 20 1003.1.1 100 S: 170*)
B: 140*)3.1.2 100 S: 90*)
B: 80*)3.1.3 50 S: 170*)
B: 140*)50 S: 90*)
B: 80*)3.2.1 100 123.2.2 50 20 50 50
(3.2.3)+3.2.4 50 15 50 103.3.1 1003.3.2 1003.3.3 50 50 12
3.3.4+ 80 20 203.3.5 **)4.1.1 50 20
zA=0,3m40 10 50
4.1.2 100 20zA=0,5m
4.2.1 80 20zA=0,3m
20 30zA =0,3m
4.2.2+ 40 604.2.3 40 605.1.1 1005.1.2 100
(5.2.1) 100(5.2.2) 100(5.2.3) 100
*) Umtriebsalter für mittlere Verdunstungsbedingungen, weitere Differenzierung s. Text**) bei 3.3.5 (Gletscher und Dauerschneegebiete) wird als Schneeverdunstung SE = 75 mm/a gesetzt+ in Deutschland nicht vertreten oder nicht gesondert ausgewiesenSymbolerläuterung siehe nächste Seite �
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70
Bezeichnungen und Präzisierungen
Bewaldete Flächen
UA Umtriebsalter in Jahren
Bodenart
S Sandige BödenBÜK1000, Legendennummer 10, 12, 17, 23, 31, 33, 34, 57, 63, 71
B Bindige BödenBÜK1000, übrige Legendennummer 1 ... 72
Vegetation
zB Höhe der Grünlandvegetation (Gras) in cm
Flurnähe des Grundwassers
zA Abstand (dm) zwischen Unterkante, Ausschöpfungszone und Grundwasseroberfläche
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71
3.2.3 Digitales HöhenmodellAuf der Grundlage des räumlich hoch aufgelösten digitalen Höhenmodells (Rasterdatensatz von25 m x 25 m) des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie (BKG) wurden die Hangneigungund Hangexposition berechnet.
Mit den Informationen zur Hangneigung und –exposition für das 25 m x 25 m-Raster ist dasEnergieangebot *maxET in geneigtem Gelände gemäß
0ETffmaxETfmaxET HH* ⋅⋅=⋅=
ermittelt worden, wobei maxET die maximale Verdunstung für ebenes Gelände ist. In ebenemGelände gilt somit 1=Hf . Für geneigtes Gelände wird der Parameter Hf in Abhängigkeit vonHangneigung und -exposition festgelegt (vgl. Abschnitt 2.5.3.2).
3.2.4 BodenkenngrößenIm Ergebnis der methodischen Untersuchungen (Abschnitt 2) sind neben den klimatologischbestimmten Größen korrP und 0ETfmaxET ⋅= besonders die Speichereigenschaften der je-weiligen Landnutzung (Interzeptionsspeicher, Bodenspeicher ...) von Einfluss auf den Effek-tivitätsparameter n und damit über die BAGROV-Beziehung auf die tatsächliche Verdunstung undden Gesamtabfluss.
Die Verfügbarkeit von Bodenwasser aus den Niederschlägen für den Verdunstungsvorgang wirdwesentlich durch die Wasserbindung im Boden (Volumenfeuchte der nutzbaren Feldkapazität
nFKΘ ) und die Ausschöpfungstiefe We bestimmt (Abschnitt 2.4.2, 2.4.3 und 2.6.2.1). Darüberhinaus ist die von nFKΘ abhängige Vegetationsentwicklung indirekt auch für die maximaleVerdunstung von Einfluss (Abschnitt 2.5.4). In gleicher Weise hat der Humusgehalt des Bodensüber die Bodenfärbung Einfluss auf den Parameter f .
Angesichts der Bedeutung von nFKΘ für das Berechnungsverfahren müssen an die Verfügbarkeitund Genauigkeit dieser Bodenkenngröße hohe Anforderungen gestellt werden. Bei der Herlei-tung des Verfahrens und der Parameterermittlung aus Lysimeterbeobachtungen wurden daher beider Bestimmung von nFKΘ die für Messstandorte verfügbaren Informationen zum Boden umfas-send ausgewertet und genutzt. Im Ergebnis dieser Auswertung muss darauf hingewiesen werden,dass die Bodenuntersuchungen für die Lysimeterstandorte künftig verbessert werden müssen.Für flächendeckende Informationen zu nFKΘ werden die horizontbezogenen digitalen Werte fürdie „nutzbare Feldkapazität (nFK)“ der BÜK1000 der Bundesanstalt für Geowissenschaften undRohstoffe (BGR) genutzt. Die Kennwerte der Wasserbindung im Boden basieren auf dernutzungsdifferenzierten BÜK1000 (forstliche, landwirtschaftliche Nutzfläche und Grünland).Die meist auf flächenmäßig dominierende Leitböden orientierende Datenbank reicht gegenwärtigvielfach nicht aus, um die gesamte Leitbodenassoziation umfassend zu kennzeichnen.
Angesichts der Horizontabfolge mit jeweils unterschiedlichen nFKΘ -Werten wird der tiefenbe-zogene für We gemittelte nFKΘ -Wert über Optimierungsansätze sukzessiv berechnet. Für die je-weilige Landnutzungsform gelten die in Abschnitt 2.7 mitgeteilten We -Werte.
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72
Tabelle 23: Zuordnung der Legendennummer (BÜK1000) zu nFKΘ der Bodenarten
Bodenart (Mineralboden) nFKΘ (Vol.%) Legendennummer der BÜK1000Sande 8
101316182022
31, 33, 34, 6310, 711, 17, 5712, 213, 25, 26, 27, 28, 29, 32, 54, 60, 626145, 70
Schluffe(Schwarzerde)
212326
48, 56, 648, 9, 13, 35, 43, 44, 4636, 37, 38, 39, 40
Lehme 1415161718
23, 6515, 52, 58, 5919, 24, 42, 4714, 20, 22, 30, 53, 55, 694, 5, 11, 16, 18, 41
Tone <15≥15
50, 51, 66, 682, 49, 67
Torf (Organische Böden)Niedermoor
Hochmoor67
3.2.5 GrundwasserflurabstandDie Grundwasseroberfläche ist je nach Tiefenlage unter Flur von Einfluss auf den Kapillarwas-seraufstieg in die verdunstungsbeeinflusste Bodenzone (Abschnitt 2.4.3). Die Kapillarwasser-menge wird wesentlich durch Ausschöpfungstiefe und Boden (z. B. Volumenfeuchte der nutz-baren Feldkapazität) bestimmt und ist damit auch abhängig von der Landnutzungsart. Beibewaldeten Standorten z. B. beginnt dieser Kapillarwasseraufstieg in die verdunstungsbeein-flusste Bodenzone je nach Boden sowie Bestandesart und –alter der Bäume bereits bei einemGrundwasserstand von 2 bis 4 m unter Gelände. Bei tieferem Grundwasserstand werden tat-sächliche Verdunstung und Gesamtabfluss durch Grundwasser nicht mehr beeinflusst. Beigeringem Grundwasserflurabstand von etwa 1 bis 2 m unter Gelände ändert sich der kapillareWasseraufstieg in die verdunstungsbeeinflusste Bodenzone beträchtlich, sodass für optimaleAussagen zur Beeinflussung der Verdunstung durch das Grundwasser der Grundwasser-flurabstand in diesem Bereich in Dezimeter-Abständen bekannt sein sollte. Aus Mangel anflächendeckenden Informationen zum Grundwasserflurabstand wurde der von der BGR zurVerfügung gestellte Datensatz zum Grundwassertiefststand genutzt. Eine Verbesserung derflächenbezogenen Aussagen zum Grundwasserflurabstand ist durch Nutzung eines hochauflösenden digitalen Höhenmodells anzustreben. Auch detaillierte pflanzensoziologischeUntersuchungen in Niederungsgebieten sollten herangezogen werden, mit denen aus demAuftreten typischer Pflanzengesellschaften auf die Flurnähe des Grundwassers geschlossenwerden kann. Gleiches gilt bei Leitbodenassoziationen, die für Grundwassereinfluss typisch sind.
3.3 Programmablauf
Bild 45 zeigt die Eingangsgrößen und deren Quellen.
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BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
74
Bild 46 zeigt den Programmablaufplan BAGLUVA.
Bild 46: Programmablaufplan BAGLUVA
ModulVersiegelte
Flächen
ModulWald
ModulGras
ModulAcker
ModulVegetations-lose Flächen
EV ETaWa ETaG ETaA E Vl
ETa = Fkt (EW , EV , ETaWa , ETaG , ETaA, EVl )
R = Pkorr - ETa
RasterdateiGewässer-
verdunstung
RasterdateienKorrigierter Niederschlag
ModulBODEN
ModulCORIN
Art der Boden-bedeckung
Schleifepro
Raster
RasterdateiAbfluss
RasterdateiCORINE
RasterdateiBodenarten
EW
Gras-Referenzverdunstung
ModulSchneeverdunstung
Rasterdateitatsächliche Verdunstung
informationeinformationeinformationeRasterdateienSchnee-
informationen
ModulKapillarwasseraufstieg
Korrigierter Sommer-Niederschlag
Jahres- und Monatswerte
RasterdateienHangneigung
und -exposition
ModulHang
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
75
3.4 Beispielrechnungen mit verschiedenen Kombinationen der jeweiligenEingangsdaten
Die Berechnung der mittleren jährlichen tatsächlichen Verdunstungshöhe und derGesamtabflusshöhe auf der Grundlage der BAGROV-GLUGLA-Beziehung und des für dieAnwendung im Hydrologischen Atlas von Deutschland entwickelten Wasserhaushaltsverfah-rens BAGLUVA, wird nachfolgend anhand von Berechnungsbeispielen demonstriert. ImBeispiel 1 (Berechnungsvarianten 1 bis 9) werden verschiedene Landnutzungen, Bodenarten,Niederschlags- und Gras-Referenzverdunstungshöhen gewählt, um die unterschiedliche Wirkungauf die tatsächliche Verdunstungs- und Gesamtabflusshöhe zu verdeutlichen. Dabei fanden fürversiegelte Flächen in den Varianten 1 und 9 unterschiedliche Werte des korrigiertenNiederschlages und der Gras-Referenzverdunstung Berücksichtigung, wie sie in verschiedenenGebieten Deutschlands vorkommen. Bei Nadelwald (Varianten 2 und 6) sowie Ackerland(Varianten 4 und 7) sind zusätzlich verschiedene Böden angenommen worden, sodass dieAuswirkung der unterschiedlichen Wasservorräte im Boden deutlich wird. Die Eingangsdaten zuden Varianten in den Spalten 1 bis 9 sind in den Zeilen 2 bis 9 angegeben. Ab Zeile 10 wird inden Spalten schrittweise der Rechengang dargestellt, der nach den Erläuterungen in den erstenbeiden Spalten und den in Anhang 7.2 angegebenen Formeln leicht nachzuvollziehen ist.
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BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
78
3.5 Erstellung der HAD-Karten
Zur Berechnung der mittleren jährlichen tatsächlichen Verdunstungshöhe und der Abflusshöhefür jedes 1 km2-Raster von Deutschland wird das in den vorhergehenden Abschnittenvorgestellte Wasserhaushaltsverfahren BAGLUVA entsprechend dem Schema Bild 45 und desProgrammablaufplanes Bild 46 angewendet. Bild 47 zeigt, welche Informationen aus denverschiedenen HAD-Karten in die Berechnung eingegangen sind, was die enge Verknüpfung derParameter mit den hydrometeorologischen Größen verdeutlicht. Die Hintergrundinformationenlagen entweder ebenfalls bereits im 1 km2 -Raster vor oder wurden als Vektordatensatzbereitgestellt und in das entsprechende Raster überführt. Zur detaillierteren Berücksichtigung derLandnutzung wurde ein Arbeitsraster von 500 m x 500 m gewählt, was durch den im 25 m x 25m Raster vorliegenden Höhendatensatz nochmals unterteilt wurde. Die Berechnungsergebnissewurden dann wieder auf 1 km2 aggregiert.
Bild 47: Nutzung von HAD-Daten zur Ermittlung der mittleren jährlichen tatsächlichenVerdunstungs- und Abflusshöhe
3.5.1 Tatsächliche VerdunstungshöheBild 48 zeigt die mittlere jährliche tatsächliche Verdunstungshöhe der Zeitreihe 1961–1990 aufRasterfeldbasis in der Auflösung 1 km2. Für Deutschland ergibt sich eine mittlere Ver-dunstungshöhe von 532 mm a-1.
Die dargestellten Klassenbreiten betragen zwischen 25 mm a-1 für die häufigsten Werte um550 mm a-1 und 50 mm a-1 für weniger häufige Werte. Die im Gegensatz zur Gras-Referenzverdunstung räumlich stärker differenziertere Struktur der tatsächlichen Verdunstungwird dadurch verdeutlicht. Diese wird außer vom Niederschlag und von dem in der Gras-Referenzverdunstung ausgedrückten Verdunstungsanspruch der Atmosphäre im Wesentlichen
Mittlere jährliche AbflusshöheAtlastafel 3.5
Mittlere jährliche tatsächliche VerdunstungshöheAtlastafel 2.13
Mittlere korrigierte jährliche Niederschlagshöhe
Atlastafel 2.5
Mittlere korrigierte Niederschlagshöhe
des SommerhalbjahresAtlastafel 2.6
Mittleres Andauerverhalten der Schneedecke
Atlastafel 2.10
BodenbedeckungAtlastafel 1.4
BodenübersichtAtlastafel 1.3
OrohydrographieAtlastafel 1.1
Mittlerejährliche pot. Verdunstungshöhe
als Gras-ReferenzverdunstungAtlastafel 2.12
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
79
von den Boden- und Landnutzungsgegebenheiten bestimmt, die eine ausgeprägtere Variabilitätaufweisen.
Städtische Gebiete weisen infolge hohen Versiegelungsgrades mit geringerWasserspeicherkapazität geringe Werte der tatsächlichen Verdunstungshöhe unter 350 mm a-1
auf, sodass neben den Großstädten Berlin, Hamburg und München und dem Ruhrgebiet auchkleinere Städte wie Rostock oder Münster erkennbar sind. Ebenfalls geringe Werte sind in denhöheren Lagen von Erzgebirge, Alpen und weiteren Mittelgebirgsgebieten zu verzeichnen.Werte über 700 mm a-1 treten vor allem in der Oberrheinebene und insbesondere in Gebieten mitflurnahem Grundwasserstand auf. Größere Seenflächen heben sich deutlich durch entsprechendhöhere Verdunstung ab (Bodensee, Steinhuder Meer, Mecklenburger Seenplatte, Seen derHolsteinischen Schweiz und des Bayerischen Voralpenlandes sowie der Laacher See in derOsteifel). In weiten Teilen Brandenburgs, Sachsens und Sachsen-Anhalts stellenGewässerflächen Zehrflächen für den Gebietswasserhaushalt dar, weil ihre Verdunstungsverlusteim vieljährigen Mittelwert größer sind als die jeweiligen standörtlichen Niederschlagshöhen. ImNordostdeutschen Tiefland zeichnen sich die Einflüsse der einzelnen Stadien der Eiszeiten aufdie Bodenbeschaffenheit und die entsprechende Vegetation und damit auf die tatsächlicheVerdunstung ab.
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
80
Bild 48: Tatsächliche Verdunstungshöhe für Deutschland (HAD, 2001)
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
81
Die Bilder 49 und 50 zeigen West-Ost- bzw. Nord-Süd-Schnitte für Rasterzellen der mittlerenjährlichen tatsächlichen Verdunstungshöhe, deren Schnittpunkt im Gipfel des Harzes liegt.Entsprechend der hohen Variabilität der Landnutzung treten größere Schwankungen derVerdunstung im Vergleich zum Niederschlag auf, das heißt, die klimatischen Unterschiedehaben gegenüber den regional wechselnden Einflüssen untergeordnete Bedeutung. Die über dieKurven gelegte Gras-Referenzverdunstung spiegelt diese klimatischen Einflüsse wieder, diedurch die Bodenbedeckung und den Boden modifiziert werden.
Bild 49: West-Ost-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher tatsächlicher Verdunstungshöhen( -- ) und der Gras-Referenzverdunstung ( -- ) des Bezugszeitraums 1961-1990 in 51,8° nördlicherBreite
Bild 50: Nord-Süd-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher tatsächlicher Verdunstungshöhen( -- ) und der Gras-Referenzverdunstung ( -- ) des Bezugszeitraums 1961-1990 in 10,6° östlicherLänge
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Verd
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RheinHoheMark
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BorkenbergeEggegebirge
WeserberglandSolling Westharz
Ostharz
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GewerbegebietHamminkeln
Ahlen mit Langenberg
BlankenburgIndustrieDessau-Bitterfeld
Elb-niederung
Calau
Cottbus
Forst
Flugplatz
GüstenSalzder-heldenClausthal-Zellerfeld
LausitzerGrenzwald
Paderborn Bad Lippspringe
Lüchtringenim Wesertal
AltenauBrocken
Quedlinburg
Bernburg/Saale
Hohenbucko
Haltern
Niederlausitz
Industrie
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Verd
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/a]
Eutin mitGewerbeflächen
Eutiner See ThüringerWald
OberschönauBraunlage
HaßbergeSteigerwald
Neustadt/Aisch
Donau-Ried
NordharzSüdharz
Lübeck
Büchen
Neetze Hankens-büttel
Acker-flächen
Braunschweig-Weddel
CalberlahHeide- undStrauchvegetationdes Brockengipfels
Walkenried
Ober-mehler
ThemarZell a.Main
Schlüsselfeld
WechingenArberg
Ansbach
Villenbach
Langen-neufnach
Marktoberdorf
Oereler Moor GroßesMoor amElbe-Seitenkanal
TankumseeWierener Berge
Elbe
SN
Tambach/Dietharz Kaufbeuren
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
82
So sind grundsätzlich versiegelte Flächen durch Minima der tatsächlichen Verdunstungshöhe zuerkennen, die sich eindeutig den jeweiligen Ortschaften zuordnen lassen. Dabei sindIndustrieflächen und Flugplätze aufgrund ihres hohen Versiegelungsgrades durch die niedrigstenWerte gekennzeichnet. In Waldgebieten wird die Gras-Referenzverdunstung überschritten,wobei Boden, Höhenlage und Waldtyp den Absolutwert der tatsächlichen Verdunstungbestimmen. Thüringer Wald, Haßberge und Steigerwald im Nord-Süd-Schnitt sind alszusammenhängende Gebiete höherer Verdunstung eindeutig zu erkennen. Beim Harz zeigt sich,wie der Waldanteil mit der Höhe abnimmt. Bei gleichzeitig zurückgehender Gras-Referenzverdunstung (Verschlechterung der die Verdunstung fördernden klimatischenBedingungen) sind zum Gipfel Minima zu verzeichnen. Einzelne Rasterfelder weisen durchüberdurchschnittliche Werte der tatsächlichen Verdunstung auf Gewässerflächen oderMoorgebiete hin.
Bei der Zusammenfassung gleichartiger Flächeneinheiten ergeben sich in Deutschland mittlereWerte der tatsächlichen Verdunstungshöhe wie sie in Bild 51 wiedergegeben sind. Hieran wirddeutlich, welch hohen Einfluss die Landnutzung auf die Verdunstung hat, modifiziert durch dieEigenschaften des Bodens. Bindige Böden führen bei vegetationsbedeckten Flächen zu einerErhöhung der Verdunstung um 20 bis 30 mm a-1. Der geringe Wert für versiegelte Flächenmacht deutlich, wie wichtig die Einbeziehung der Verdunstungsbetrachtung inlandschaftsplanerische Maßnahmen ist.
Bild 51: Tatsächliche Verdunstungshöhen für verschiedene Landnutzungen auf unterschiedlichenBöden
3.5.2 AbflusshöheBild 52 zeigt die mittlere jährliche Abflusshöhe als Rasterfelddarstellung in der Auflösung 1 km2
bezogen auf den Zeitraum 1961–1990. Die Werte liegen unter 100 mm a-1 im NordostenDeutschlands und über 2000 mm a-1 in den Hochlagen der Alpen. Die dargestelltenKlassenbreiten betragen 50 mm a-1 für die Werte unter 200 mm a-1, 100 mm a-1 für die Werte bis1000 mm a-1 sowie 500 mm a-1 für die Werte darüber.
versiegelte Fläche
vegetationslose Fläche
Grünland
Ackerland
Laubwald
Nadelwald
Binnengewässerflächen
488 496 540 584 626
228418 471 494
560600
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0
100
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500
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700
mm
/a
Sandboden
bindigerBoden
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
83
Bild 52: Abflusshöhe für Deutschland (HAD, 2001)
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
84
Trotz der auf engem Raum stark variierenden Werte der tatsächlichen Verdunstungshöhe (Bild51) prägen die großräumigen Unterschiede der korrigierten Niederschlagshöhe das Gesamtbildder Abflusshöhe. Deutlich wird dieses vor allem an den hohen Werten in den Kammlagen derMittelgebirge (zusammenhängende und die Landschaft dominierende Gebirgseinheiten wieHarz, Sauerland, Thüringer Wald, Schwarzwald und Bayerischer Wald) und des Alpenraums mitseiner besonderen Stellung durch Schneebedeckung und teilweise fehlender Vegetation.Innerhalb der Gebiete geringer Abflusswerte im niederschlagsarmen Nordosten Deutschlands,wo beispielsweise in den Urstromtälern die Grundwasserneubildung im Lockergestein durch dieAbflusshöhe begrenzt wird und hier bei flurnahem Grundwasser häufig Grundwasserzehrungauftritt, heben sich urbane Flächen als „Inseln“ hoher Abflusswerte heraus. Im Lee derMittelgebirge (östlich des Harzes, Thüringer Becken) wird der klimatische Einfluss (geringeNiederschlagshöhen bei hohen Werten der Gras-Referenzverdunstung) auf die Abflussbildungdeutlich sichtbar.
Für die Landesfläche Deutschlands ergibt sich folgende Bilanz:
( ) ( ) ( )111 a mm 532a mm 859a mm 327 −−− −= ETaPR korr
Die maximale Schwankungsbreite der mittleren jährlichen Abflusshöhe reicht von -258 mm a-1
in den Zehrgebieten im Nordosten Deutschlands bis 3344 mm a-1 in den Hochlagen der Alpen.
Die Bilder 53 und 54 zeigen analog zu den Darstellungen in Bild 49 und 50 West-Ost- bzw.Nord-Süd-Schnitte für Rasterfelder der Abflusshöhe und der Klimatischen Wasserbilanz ( KWB= korrigierter Niederschlag korrP – Gras-Referenzverdunstung 0ET ); der Schnittpunkt der beidenProfillinien ist der Gipfel des Harzes. Die Abflusshöhen zeichnen insbesondere im Nord-Süd-Schnitt die Klimatische Wasserbilanz nach und schwanken abhängig von Landnutzung undBodengegebenheiten um diesen Wert. Im West-Ost-Schnitt macht sich der kontinentaleKlimaeinfluss im Lee des Harzes mit geringen Werten in der Klimatischen Wasserbilanzbemerkbar, die zum Teil sogar negativ ist. Auch die Abflusshöhen weisen hier die niedrigstenWerte auf.
Bild 53: West-Ost-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher Abflusshöhen ( -- ) und derKlimatischen Wasserbilanz ( -- ) des Bezugszeitraums 1961-1990 in 51,8° nördlicher Breite
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 15,0
Geographische Länge [Grad]
Abflu
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m/a
]
W E
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
85
Bild 54: Nord-Süd-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher Abflusshöhen ( -- ) und derKlimatischen Wasserbilanz ( -- ) des Bezugszeitraums 1961-1990 in 10,6° östlicher Länge
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1600
1800
47,548,048,549,049,550,050,551,051,552,052,553,053,554,054,5Geographische Breite [Grad]
Abflu
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SN
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
86
4 Testung im GebietBei der Berechnung der Abflusshöhe wird die Differenz zweier in einigen Gebieten annäherndgleich großer Werte gebildet, deren Einzelfehler sich addieren, was bei entsprechend geringenAbflusswerten zu einem großen relativen Fehler führen kann. Die korrigierte Niederschlagshöhewurde im Wesentlichen aus Messwerten regionalisiert, während die tatsächlicheVerdunstungshöhe modellmäßig aus der Übertragung von am Standort abgeleiteten Beziehungenauf das Gebiet ermittelt wurde. Dieses erfordert einen hohen Anspruch an die Genauigkeit derVerdunstungswerte. Zur Verifizierung des Verfahrens wurden die nach Gleichung (1)bestimmten Werte der mittleren jährlichen Abflusshöhe in Einzugsgebieten unterschiedlicherGröße, Landnutzung, Bodeneigenschaften sowie geomorphologischer und klimatischerBedingungen den am entsprechenden Pegel ermittelten Abflusshöhen gegenübergestellt. Bild 55zeigt die ausgewählten Testgebiete in ganz Deutschland, Tabelle 25 gibt die zugehörigenCharakteristika an.
Bild 55: Ausgewählte Testgebiete zur Validierung berechneter Abflusshöhen
Überwiegend Ackerland
Überwiegend Grünland
Überwiegend Wald
Treene
Regen
IllerArgen
RottMurg
Tauber
Kyll
Prüm
Simmerbach
Obere Ems
Obere Eder
Große RöderDöllnitz
Müglitz
Ehle
Wipper
PlatkowerMühlenfließ
Wesenitz
Tollense
Wümme
Lachte
Örtze
Alsenz
Beke
Sude
Poggendorfer Trebel
Nethe
Lenne
Ruwer
Fils
Ausgewählte Testgebiete
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
87
Tabelle 25: Charakteristika ausgewählter Testgebiete zur Validierung berechneter Abflusshöhen
Einzugs-gebiet
Ober-irdischesEinzugs-gebiet biszum ange-gebenen
Pegel
[km2]
Höhen-lage
[m ü. NN]
Land-nutzung
(Anteile> 30 %)
Boden
(Anteile> 30 %)
Pegel korrP
(1961-
1990)
[mm a-1]
ETa(1961-
1990)
[mm a-1]
berR
(1961-
1990)
[mm a-1]
gemR
(1961-
1990)
[mm a-1]
Treene 481 20 – 80 Acker/Grünland
Sand/ Lehm Treia 927 496 431 425
Stepenitz 441 30 – 100 Acker Lehm Börzow 699 506 193 248
Tollense 1403 50 – 120 Acker Lehm/ Sand Klempenow 615 491 124 148
Wümme 908 10 – 170 Acker/Grünland
Sand Hellwege 822 520 302 343
Örtze 738 30 – 150 Nadelwald Sand Feuerschützen-bostel
823 576 247 257
Lachte 433 40 – 110 Acker/Nadelwald
Sand Lachendorf 794 581 213 204
PlatkowerMühlenfließ
155 30 – 80 Acker Sand Gusow 591 480 111 85
Löcknitz 226 40 – 90 Acker/Nadelwald
Sand Klein Wall 608 520 88 108
Nuthe-Nieplitz
1787 30 – 150 Acker/Nadelwald
Sand Babelsberg 606 506 100 162
Ehle 260 50 – 100 Acker Sand/ Lehm Dannigkow 557 458 99 125
Obere Ems 2842 30 – 300 Acker Sand Greven 863 512 351 313
Obere Eder 1202 300 – 800 Wald Sand/ Lehm Schmitt-
lotheim
1070 531 539 514
Wipper 318 60 – 500 Acker Sand/ Ton Wipperdorf 762 514 248 241
Döllnitz 210 90 – 300 Acker Schluff/Sand Merzdorf 666 537 129 149Große Röder 300 90 – 200 Acker/
NadelwaldSand/Schluff
Großditt-mannsdorf
707 561 146 237
Wesenitz 227 150 – 500 Acker Schluff Elbersdorf 834 583 251 303
Müglitz 198 150 – 800 Acker/Nadelwald
Lehm/ Sand Dohna 880 509 371 411
Prüm 574 150 – 650 Wald/Grünland
Lehm Prümzurlay 901 451 450 446
Kyll 817 120 – 700 Wald/Grünland
Lehm/ Ton Kordel 990 556 434 382
Simmerbach 218 200 – 600 Acker/ Wald Lehm/Schluff
Kellenbach 821 537 284 385
Alsenz 316 150 – 680 Acker/Wald/Grünland
Lehm/ Sand Altenbamberg 745 542 203 173
Tauber 1018 200 – 550 Acker/Grünland/Wald
Ton/ Schluff BadMergentheim
777 568 209 200
Murg 466 300 – 1160
Nadel-/Mischwald
Lehm/ Sand Rotenfels 1723 613 1110 1084
Argen 625 400 – 700 Grünland Sand/ Lehm Gießen 1692 568 1124 1054
Iller 2115 500 – 2600
Grünland Lehm/ Sand Wiblingen 1625 511 1114 1074
Regen 2658 400 – 1450
Grünland/Nadelwald
Lehm/ Sand Regenstauf 894 548 346 460
Rott 865 300 – 400 Acker/Grünland
Lehm/Schluff
Birnbach 946 588 358 265
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
88
Die Streuung der berechneten Abflüsse relativ zu den aus Messungen ermittelten Werten ist inBild 56 dargestellt.
Bild 56: Berechnete und aus Messungen ermittelte Abflusshöhen
Die Abweichungen der berechneten Abflüsse von den gemessenen Werten liegen im Mittel unter5 %, können aber in einigen Gebieten z.B. aufgrund anthropogener Beeinflussung (Ein- undÜberleitungen, Entnahmen, Beregnung) und Problemen bei der Einzugsgebietszuordnung bis zu30 % erreichen. Das Einzugsgebiet Nuthe-Nieplitz zum Beispiel ist stark anthropogen durchzusätzliche Einleitungen beeinflusst, sodass der gemessene höhere Wert sicher nichtrepräsentativ für die Abflussbildung im Gebiet ist. Besonders in Gebieten mit einem hohenAnteil an Ackerland wird der Abfluss künstlich erhöht, weshalb die berechneten Werten dortetwas unterschätzt sind. Der Abfluss in Waldgebieten dagegen wird mit hoher Genauigkeitwiedergegeben.
m= 1,0649xR2 = 0,9808
0
200
400
600
800
1000
1200
0 200 400 600 800 1000 1200Rgemessen [mm/a]
Rber
echn
et [m
m/a
]
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
89
5 ZusammenfassungMit der Entwicklung des Wasserhaushaltsverfahrens BAGLUVA (Verfahren nach BAGROV undGLUGLA zur Bestimmung vieljähriger Mittelwerte von tatsächlicher Verdunstungs- undAbflusshöhe) im Rahmen eines DFG-Projektes wurde ein vielseitig einsetzbares Werkzeug zurBestimmung rasterbezogener mittlerer jährlicher Verdunstungs- und Abflusshöhen geschaffen,welches nach heutigem Kenntnisstand alle wasserhaushaltlich relevanten Prozesseberücksichtigt. Durch die Nutzung von Daten umfangreicher Lysimeter- undKlimabeobachtungen wird gewährleistet, dass die Verfahrensparameter durch Messungengestützt werden und somit eine deutschlandweite Anwendung ermöglichen. Neben Daten aus derDatenbank HYDABA der BfG wurden Literaturmitteilungen bezüglich Lysimeterbeobachtungenausgewertet. Wesentliche Grundlage für die Auswertung waren aber die Messreihen zahlreicherLysimeter.Bezüglich wägbarer Lysimeter lagen insgesamt 30 Stationen bzw. Lysimetergruppen mitGrasbewuchs über jeweils durchschnittlich 13 Beobachtungsjahren und 38 Stationen bzw.Lysimetergruppen über jeweils durchschnittlich 16 Beobachtungsjahren für landwirtschaftlicheKulturen zur Auswertung vor. Für bewaldete Areale wurden Ergebnisse nicht wägbarerLysimeter genutzt (4 Stationen, jeweils ca. 25-jährige Beobachtungsreihe).Durch die Vielzahl der Messergebnisse aus verschiedenen Quellen (Dauerbeobachtungen sowieEinzeluntersuchungen) und die Validierung der berechneten Abflusshöhen inTesteinzugsgebieten durch Vergleich mit gemessenen Abflusshöhen wird gewährleistet, dass dieaus Punktquellen gewonnenen Beziehungen auf ganz Deutschland übertragbar sind und somit -basierend auf den Eingangsgrößen - aus dem Hydrologischen Atlas tatsächliche Verdunstungs-und Abflusshöhe für jeden Quadratkilometer als Jahresmittelwerte bestimmbar sind. Liegen fürspezielle Untersuchungen die Eingangsgrößen in analoger Form vor, lässt sich das VerfahrenBAGLUVA nach Anpassung an das Untersuchungsgebiet für Anwendungen außerhalb des HADnutzen.Daten aus dem HAD fanden bereits Eingang in verschiedene Projekte (GRM Saale;Wasserbewirtschaftungsmodell für die Bundeswasserstraßen des Projektes 17 – Dargebots-ermittlung Elbe-Havel-Kanal), was den Bedarf dieser deutschlandweit einheitlich bestimmtenMittelwerte verdeutlicht.Basierend auf den Werten der Gesamtabflusshöhe aus der Atlastafel 3.5 des HAD wurde eineweitere Größe, die Grundwasserneubildung (Atlastafel 5.5, HAD, 2003), bestimmt. Diese unddie Sickerwasserrate (Atlastafel 4.5, HAD, 2003) werden in einer gesonderten Veröffentlichungeinander gegenübergestellt (JANKIEWICZ ET AL., 2003).
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
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BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
95
7 Anlagen
7.1 Berechnungsformeln für die einzelnen Größen der PENMAN-MONTEITH-Gleichung
Die PENMAN-MONTEITH-Beziehung lautet:
mmm1000
ds864001
1
1m2m2
w
a
c
a
spL
rrs
re)T(ec)GRn(s
ETaρ
γ
ρ
��
����
�++
−+−= [mm d-1]
Dabei werden die einzelnen Größen folgendermaßen ermittelt:
• latente Verdunstungswärme λ in J kg-1 (T2m: Tagesmitteltemperatur in 2 m Höhe in °C):
( ) 6m2 100024204982 T,, −=λ
• Änderung des Sättigungsdampfdrucks mit der Temperatur s in hPa K-1 (esw, ese: siehe unten):
( )2m2
m2 122434284
T,)T(es sw
+= über Wasser
( )2m2
m2 622726123
T,)T(es se
+= über Eis
• Strahlungsbilanz Rn in W m-2, wenn diese als Tagessumme in J cm-2 d-1 gemessen bzw.parametrisiert wird, muss mit 10000 cm2 m-2/86400 s d-1 multipliziert werden, um den Wert inW m-2 zu erhalten.
• Der Bodenwärmestrom G wird bei der Berechnung von Tageswerten vernachlässigt.
• Dichte trockener Luft: ρL = 1.293 kg m-3
• spezifische Wärme bei konstantem Druck: cp = 1005 J kg-1 K-1
• Sättigungsdampfdruck es, wobei für Temperaturen T2m unter 0 °C ese über Eis sonst esw überWasser verwendet wird:
m2
m2
122436217
m2 116 T,T,
sw e,)T(e += über Wasser
m2
m2
622724622
m2 116 T,T,
se e,)T(e += über Eis
• Dampfdruck e2m aus der relativen Luftfeuchtigkeit U2m (in %) berechnet in hPa:
1002m
2mUee s=
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
96
• Psychrometerkonstante: γ = 0,655 hPa K-1
• Dichte von Wasser: ρw = 1000 kg m-3
• aerodynamischer Widerstand ra in s m-1
• Bestandeswiderstand rc,min in s m-1
• Umrechnungsfaktoren: 86400 s d-1 1000 mm m-1
Die Gras-Referenzverdunstung ET0 nach ALLEN ET AL. (1994) berechnet sich unter Annahmeeines festen Stomata- und aerodynamischen Widerstandes:
• aerodynamischer Widerstand ra in s m-1 bei einer Grashöhe von 12 cm (v2m:Tagesmittelwert der Windgeschwindigkeit in 2 m Höhe in m s-1):
ra = 208/ v2m
wobei Windgeschwindigkeiten vz gemessen in anderen Höhen z auf 2 m Höhe
umgerechnet werden: 53ln
242m ,z
,vv z +=
• minimaler Bestandeswiderstand rc,min für Pflanzen ohne Wasserstress (Bodenfeuchte ≥70 % nFK):
rc,min = 70 s m-1
• Bei Parametrisierung der Strahlungsbilanz Rn wird mit einer Albedo von 0,23 für Grasgerechnet.
Berechnung der StrahlungsgrößenFalls keine Messungen der Strahlungsbilanz und der Globalstrahlung vorliegen, lassen sich diesemit Hilfe der Sonnenscheindauer parametrisieren. Fehlt dagegen die Sonnenscheindauer, so lässtsich diese aus der Globalstrahlung ableiten. Die verwendeten Formeln entstammen demMerkblatt des DVWK (1996)
Parametrisierung der Globalstrahlung RG aus der Sonnenscheindauer S:
���
����
�+=
00 550190
SS,,RRG [J cm-2 d-1]
wobei die extraterrestrische Strahlung R0 und die Tagessumme der astronomisch möglichenSonnenscheindauer S0 mit den für Mitteleuropa (ϕ : geographische Breite) gültigen Ansätzen
( )( )( )1051180087992450 −−++= ςϕς sin,,sin,,R [J cm-2 d-1]
��
���
� −++=6
051343120,,sin,S ϕς [h d-1]
mit 39101720 ,JT, −=ς [rad] (JT: Tag des Jahres), berechnet werden.
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
97
Parametrisierung der Sonnenscheindauer S aus der Globalstrahlung RG:
���
����
�−= 350821
00 ,
RR,SS G [h d-1]
mit oben angeführten Berechnungsvorschriften für die extraterrestrische Strahlung und dieastronomisch mögliche Sonnenscheindauer.
Parametrisierung der Strahlungsbilanz Rn aus der Globalstrahlung RG, derSonnenscheindauer S und dem Dampfdruck e2m:
( ) 2
24
2m0
4m2 cm
m10ds86400044034090101 −−��
�
����
�+−−= e,,
SS,,TR)(Rn ,absG σεα [J cm-2 d-1]
mit α : Reflektionsvermögen der Oberfläche (Albedo)
ε : langwelliger Emissionskoeffizient der Oberfläche
σ : Stefan-Boltzmann-Konstante 5 67 10 8. − W m-2 K-4
Tabs,2m: Temperatur in 2 m Höhe [K]
e2m: Dampfdruck aus der relativen Luftfeuchtigkeit Uabs,2m berechnet [hPa]
100
2m2m
Uee s=
mit den weiter oben angegebenen Magnus-Formeln zur Berechnung des Sättigungsdampfdrucks es
Berechnung der Gras-Referenzverdunstung ET0* nach WENDLING
Für klimatologische Zwecke wurde von WENDLING (1995) im Rahmen der Erstellung desHydrologischen Atlas Deutschland eine Formel zur Berechnung von Monatssummen der Gras-Referenzverdunstung abgeleitet:
h,)kn,R,(
ssET *
G*
00020112506500 +
++
=γ
[mm mon-1]
Dabei werden die einzelnen Größen folgendermaßen ermittelt:
• Änderung des Sättigungsdampfdrucks s in hPa K-1 mit der Monatsmitteltemperatur T2mMOMI
(wie oben)
• Psychrometerkonstante: γ = 0,655 hPa K-1
• Die Globalstrahlung RG* wird als Verdunstungsäquivalent in mm mon-1 bestimmt:
���
����
�+=
MOSU
MOSU**G S
S,,RR0
0 550190
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
98
mit R0*: Monatssumme der extraterrestrischen Strahlung als
Verdunstungsäquivalent in mm mon-1
SMOSU: Monatssumme der Sonnenscheindauer in h mon-1
S0MOSU: Monatssumme der astronomisch möglichenSonnenscheindauer in h mon-1
Umrechnungsfaktor der Strahlung R0 von J cm-2 mon-1 in R0* mm mon-1:
m
mm1000mcm10000 2
20
0w
* RR
ρλ=
latente Verdunstungswärme λ in J kg-1 (T2mMOMI: Monatsmitteltemperatur in 2 m Höhe in °C):
( ) 6mMOMI2 100024204982 T,, −=λ
Dichte von Wasser: ρw = 1000 kg m-3
• Anzahl der Tage im Monat: n
• Küstenfaktor k, im Küstenbereich zwischen 0,5 und 1 nach folgendem Algorithmus inAbhängigkeit von der geographischen Breite ϕ und der geographischen Länge λ:
k = 1,0
hk = 0,167 λ + 51,67
Für hk < ϕ : k = 1,0 − (ϕ − hk) 0,8
Wird k < 0,5: k = 0,5
• Geländehöhe h in m mit h = 600 bei h > 600 NN + m
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
99
7.2 Algorithmen zur Bestimmung der im WasserhaushaltsverfahrenBAGLUVA erforderlichen Parameter
Tabelle 7.1: Algorithmen zur Berechnung des Parameters 0ET/maxETf = , nFKΘ in Vol.%
Lfd.Nr.
Landnutzungseinheit Berechnungsgleichung
1. Versiegelte Fläche 8,0=f2. Vegetationslose Fläche Vol.% 8,5≤nFKΘ → 8,0=f
Vol.% 8,5>nFKΘ → 0,64190,0186 +⋅= nFKf Θ3. Grünland/Gras
(mittlere Grashöhe: 12 cm)Vol.% 11≤nFKΘ → 7108001250cm12 ,,f nFK +⋅= Θ
Vol.% 11>nFKΘ → 0,1614ln0,2866cm12 +⋅= )(f nFKΘGrünland/Gras(Grashöhe zB (cm) variabel)
12cmf)z(ff Bk ⋅=
5 cm < zB ≤ 20 cm → 0,8321zln0,0676 +⋅= )(f Bk
zB > 20 cm → 0,9661z10 0,37z10-0,7 225 +⋅⋅+⋅⋅= −−BBkf
4. Ackerland Löß-Schwarzerde → 1,101-ln0,734 )(f nFKΘ⋅=
sonstige Böden → 0,431ln0,221 +⋅= )(f nFKΘ5. Laubwald
(UA: Umtriebsalter/Jahre)Sandige Böden ( Vol.% 16≤nFKΘ )
UA ≤ 90 Jahre →
1
6105846
34232
101094601034940104220102330105080100,25 0,84
SLf
UA,UA,UA,UA,UA,UAf
=
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅+=−−−
−−−
UA > 90 Jahre →
2
38253 1016860101550100,49 1,038
SLf
UA,UA,UAf
=
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+= −−−
Bindige Böden ( Vol.% 16>nFKΘ )
UA ≤ 100 Jahre → 11,05 SLff ⋅=
UA > 100 Jahre → 251,0 SLff ⋅=6. Nadelwald
(UA: Umtriebsalter/Jahre)Sandige Böden ( Vol.% 16≤nFKΘ )
UA ≤ 130 Jahre →
1
6125947
35231
1035601022301057850108052010639240100,2694 0,8
SNf
UA,UA,UA,UA,UA,UAf
=
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+=−−−
−−−
UA > 130 Jahre →
2
252 10178,010
SNf
UAUA0,108 1,35f
=
⋅⋅+⋅⋅−= −−
Bindige Böden ( Vol.% 16>nFKΘ )
UA ≤ 130 Jahre → 11,03 SNff ⋅=
UA > 130 Jahre → 231,0 SNff ⋅=
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
100
Tabelle 7.2: Algorithmen zur Berechnung der Ausschöpfungstiefe We in dm mit We ≥ 0, nFKΘ inVol.-%
Lfd.Nr.
Landnutzungseinheit Berechnungsgleichung
1. versiegelte Fläche 0=We2. vegetationslose
FlächenFK
nFKnFK
,,,We
ΘΘΘ
⋅−⋅+⋅=
025005900,019700130 2
3. Grünland/Gras(mittlere Grashöhe: 12 cm)
nFK
, nFK,WeΘ
Θ⋅⋅=10270
cm12e76168
Grünland/Gras(Grashöhe zB (cm) variabel)
12cmWecWe We ⋅=
55670101601036901013330 112
,,z,z,c nFKBnFKBWe
+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅⋅−= −−− ΘΘ
4. AckerlandLöß-Schwarzerde →
nFK
, nFK,WeΘ
Θ⋅⋅=09570e52225
sonstige Böden → nFK
, nFK,WeΘ
Θ⋅⋅=08280e7814
5. Laubwald(UA: Umtriebsalter/Jahre)
Sandige Böden ( Vol.% 16≤nFKΘ )
UA ≤ 50 Jahre →
4634
232
10112010155801056780100,699 0,077UA,UA,
UA,UAWe⋅⋅+⋅⋅−
⋅⋅+⋅⋅+=−−
−−
UA > 50 Jahre →
61451148
35231
1039499,0105818,01034068,01010058,0101566,010
UAUAUAUAUAUA0,11890,3 We
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+=
−−−
−−−
Bindige Böden ( Vol.% 16>nFKΘ )
UA ≤ 50 Jahre →
47
34232
10985,01014,010534,010
UAUAUAUA0,43750,223 We
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅+=
−
−−−
UA > 50 Jahre →
41037
242
10431,010409,0101351,010
UAUAUAUA0,15140,608 We
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+=
−−
−−
6. Nadelwald(UA: Umtriebsalter/Jahre)
Sandige Böden ( Vol.% 16≤nFKΘ )
UA ≤ 50 Jahre →
695645
33221
105680101020106601016901011180100,199 0,07
UA,UA,UA,UA,UA,UAWe
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+=−−−
−−−
UA > 50 Jahre →37242 1016010140100,364 1,16 UA,UA,UAWe ⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+= −−−
Bindige Böden ( Vol.% 16>nFKΘ )
UA ≤ 50 Jahre →
695645
33221
105880101090107290102011601016940100,185 0,214
UA,UA,UA,UA,UA,UAWe
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+=−−−
−−−
> 50 Jahre →37242 1017301014930100,38 1,16 UA,UA,UAWe ⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+= −−−
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
101
Tabelle 7.3: Algorithmen zur Berechnung des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung, n >0, ΘnFK in Vol.%
Lfd.Nr.
Landnutzungseinheit Berechnungsgleichung
1. versiegelte Fläche 16,0=n2. vegetationslose Fläche 10100,019700130 2 ,,n nFKnFK +⋅+⋅= ΘΘ3. Grünland/Gras,
(mittlere Grashöhe 12 cm)160e219040 10270
cm12 ,,n nFK, +⋅= ⋅Θ
Grünland/Gras(Grashöhe zB (cm) variabel)
160e219040 10270 ,),c(n nFK,We +⋅⋅= ⋅Θ
55670101601036901013330
1
12
,,z,z,c
nFK
BnFKBWe
+⋅⋅+
⋅⋅+⋅⋅⋅−=−
−−
ΘΘ
4. Ackerland Löß-Schwarzerde → 160e638050 09570 ,,n nFK, +⋅= ⋅Θ
sonstige Böden → 160e36950 08280 ,,n nFK, +⋅= ⋅Θ
5. Laubwald(UA: Umtriebsalter/Jahre)
Sandige Böden ( Vol.% 16≤nFKΘ )
UA ≤ 90 Jahre →
6105745
33224
1071901022901028280101660104220100,4 0,5
UA,UA,UA,UA,UA,UAn
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−=−−−
−−−
UA > 90 Jahre →37242 101212101010880100,3056 2,0 UA,UA,UAn ⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+= −−−
Bindige Böden ( Vol.% 16>nFKΘ )
UA ≤ 90 Jahre →
6105745
33222
1027501010940101646010115101034340100,546 0,813
UA,UA,UA,UA,UA,UAn
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−=−−−
−−−
UA > 90 Jahre →38252 10587701056670100,1698 2,1 UA,UA,UAn ⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+= −−−
6. Nadelwald(UA: Umtriebsalter/Jahre)
Sandige Böden ( Vol.% 16≤nFKΘ )
UA ≤ 20 Jahre →33221 10220108360100,129 0,5 UA,UA,UAn ⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−= −−−
UA > 20 Jahre →
61351047
35221
1059010603010261401064701010100,92 0,38
UA,UA,UA,UA,UA,UAn
⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+=−−−
−−−
Bindige Böden ( Vol.% 16>nFKΘ )
UA ≤ 20 Jahre →34222 108010480100,347 0,8 UA,UA,UAn ⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−= −−−
UA > 20 Jahre →
51148
35231
10929,010942,0
1038,010769,0100,797 0,73
UAUA
UAUAUAn
⋅⋅+⋅⋅−
⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+=−−
−−−
BU
ND
ESA
NST
ALT
FÜ
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EWÄ
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KU
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E
KO
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NZ
102
Bild
7.1
: BA
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ng
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
2.50
2.00
1.80
1.60
1.40
1.20
1.00
0.90
0.80
0.75
0.70
0.65
0.60
0.55
0.50
0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0 0,
40,
50,
60,
70,
80,
91,
01,
11,
21,
31,
41,
51,
61,
71,
81,
92,
02,
12,
22,
32,
42,
52,
62,
72,
82,
93,
0
P kor
r / E
Tmax
bzw
. Pko
rr / E
max
(m
ittle
re J
ahre
swer
te)
ETa/ETmax bzw. Ea/Emax (mittlere Jahreswerte)
n
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE KOBLENZ
103