Jan van Heyden 1 , Roland Barthel 1 , Thorben Römer 1 , András Bárdossy 2

Untersuchungen der längerfristigen Wechselwirkung zwischen Klima und Grundwasserständen auf der regionalen SkalaJan van Heyden1, Roland Barthel1, Thorben Römer1, András Bárdossy2

1Jungwissenschaftlergruppe Grundwasserhydraulik und Grundwasserwirtschaft, 2Lehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart

Untersuchungen der längerfristigen Wechselwirkung zwischen Klima und Grundwasserständen auf der regionalen Skala

1. Motivation der Untersuchung

2. Datenlage

3. Ergebnisse

4. Fazit und Ausblick

Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Glowa-Danube: Einzugsgebiet der oberen Donau

Ao ca. 77.000 km² ‚Global Change‘ Folgen im

Donaueinzugsgebiet(Wasser, Landnutzung, Landwirtschaft, Ökonomie, Tourismus ….)

‚Integrierter / Interdisziplinärer Ansatz: 12 Gruppen aus unterschiedlichen Disziplinen (Meteorologie … Tourismusforschung)

Entscheidungs-Unterstützungs-System ‚DANUBIA‘, bestehend aus 16 voll gekoppelten Einzelmodellen

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1 41 81 121 161 201 241 281 321 361Distanz (km)

Hö

he

(m ü

. NN

)

B

A

BA


Motivation und Zielsetzung

Motivation „…Beurteilung des mengenmäßigen Zustands

sämtlicher Grundwasserkörper oder Gruppen von Grundwasserkörpern einschließlich der Beurteilung der verfügbaren Grundwasserressource…“ (WRRL, 2000)

Welches sind die wirksamen Einflüsse auf das längerfristige Verhalten des Grundwasser auf der regionalen Skala?

In dieser Präsentation: Welchen Einfluss hat die Grundwasserneubildung aus Niederschlag?

Lassen sich weitere Einflussfaktoren identifizieren?


Datenlage

Auswahl an Messstellen anhand der Grund.- und Landesmessnetze der Länder

Ca. 800 ausgewählte GW-Messstellen 535 über 10a 75 über 30a 25 über 50a


Vergleich verschiedener Grundwasserstandsmessreihen


Vergleich verschiedener Grundwasserstandsmessreihen

Wie lässt sich die unterschiedliche Variabilität erklären? Viele verschiedene Einflussfaktoren

Standortfaktoren (quasi stationär)– (Hydro-) Geologie– Mittlerer Flurabstand– Landnutzung– …

Zu.-/Abflüsse (instationär)– Grundwasserneubildung aus Niederschlag– Oberflächenwasser - Grundwasserinteraktion– Grundwasserentnahme– Zusickerung aus anderen Grundwasserstockwerken– …


Grundwasserneubildung aus Niederschlag

gesättigte Zone

ungesättigte Zone

Niederschlag – ET - RD




gesättigte Zone

ungesättigte Zone


Grundwasserneubildung aus Niederschlag ?

?

Viele Unsicherheiten auf regionaler Skala Zeitlicher

Versatz/Dämpfung? Zwischenabfluss ? ET ?

?

?


Direkte Grundwasserneubildung

gesättigte Zone

ungesättigte Zone


Grundwasserneubildung aus Niederschlag ?

?

?

?

!

!

Längerfristig: Niederschlag ≈ Grundwasserstand

Viele Unsicherheiten auf regionaler Skala Zeitlicher

Versatz/Dämpfung? Zwischenabfluss ? ET ?


Klima - Grundwasserinteraktion

Erste Auswahl Zeitraum 1956-2006 10 GW Messstellen des

Alluviums Sandig/kiesige Aquifere Mittlere Flurabstände

1,5m – 13,5m 7 benachbarte

Klimastationen Entfernung 10 bis 40km Teils unterschiedliche

EZG


Übersicht Klima

Zeitraum 1956-2006 Absolutwerte des Niederschlags

deutliche Unterschiede Mittlerer Jahresgang ähnlich Längerfristiges Verhalten auch

ähnlich?

648 mm8.5 °C

0

50

100

150

200

250

mit

tle

rer

Nie

de

rsc

hla

g (

mm

)

-5

0

5

10

15

20

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Monat

mit

tle

rer

Te

mp

era

tur

(°C

)

1805 mm6.3 °C


Wie bestimmt man das „längerfristige“ mittlere Verhalten?

JG dominiert Kurzfristige

Wellenlängen

original Periodogram



original

Wellenlängen kleiner 1a eliminiert


Wellenlängen

LP Filter JG schwächer Langwellige

Komponenten deutlicher



original




Wellenlängen

LP Filter JG schwächer Langwellige

Komponenten deutlicher

JG eliminiert Nur

längerfristiges Verhalten übrig


Vergleich des langfristigen Verhaltens von Klima und GW

Vergleich Klimastationen untereinander

Pearson Korrelation der gefilterten Zeitreihen Klimadaten zeigen mittlere bis

stark positive Zusammenhänge untereinander

Temperaturen zwischen 0.83 – 0.98

Niederschlag zwischen 0.51 – 0.88



Vergleich Klimastationen untereinander

Pearson Korrelation der gefilterten Zeitreihen Klimadaten zeigen mittlere bis

stark positive Zusammenhänge untereinander

Temperaturen zwischen 0.83 – 0.98

Niederschlag zwischen 0.51 – 0.88

Längerfristiges Klimaverhalten für das Untersuchungsgebiet ähnlich!



Vergleich Grundwassermessstellen

Pearson Korrelation der gefilterten Zeitreihen Grundwasserstände überwiegend

keine bis schwach positive Zusammenhänge untereinander



Vergleich Grundwassermessstellen

Pearson Korrelation der gefilterten Zeitreihen Grundwasserstände überwiegend

keine bis schwach positive Zusammenhänge untereinander

Größtenteils keine Zusammenhänge trotz ähnlichem KlimaverhaltenAndere Einflussfaktoren


Niederschlag - Grundwasserinteraktion

Vergleich Klimastationen (Niederschlag) und Grundwassermessstellen Schwach bis stark positive

Zusammenhänge (0,26 - 0,84)

Zeitversatz 2 bis 60 Wochen



Vergleich Klimastationen (Niederschlag) und Grundwassermessstellen Schwach bis stark positive

Zusammenhänge (0,26 - 0,84)

Zeitversatz 2 bis 60 Wochen

Niederschlag je nach Standort wechselnd starker EinflussStatt Niederschlag andere Einflussfaktoren dominierend?



Max. Korrelation 0,84

bei -28 Wochen

Filtertiefe 0,6m – 5,0m

322.7

322.9

323.1

323.3

323.5

323.7

323.9

1958

1961

1964

1967

1970

1973

1976

1979

1982

1985

1988

1991

1994

1997

2000

2003

Zeit (a)

Gru

nd

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d (

m.a

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100

110

120

130

140

150

160

Nie

de

rsc

hla

g (

mm

)

GW Stand

Niederschlag

1 km

Donau



Lineare Regression 58,7% der Varianz

aus Niederschlag Wie lässt sich die

restliche Variabilität erklären?

322.6

322.8

323

323.2

323.4

323.6

323.8

Gru

nd

wa

sse

rsta

nd

(m

.a.s

.l)

GW Stand (m) LR (P)

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

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0.2

0.3

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1971

1974

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1980

1983

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1989

1992

1995

1998

Zeit (a)

Diff

ere

nz

ge

me

sse

n-s

imu

liert

(m

)


Wie lässt sich die restliche Variabilität erklären?

Zusätzlich längerfristige Wasserstand Donau: 85,7% der Varianz

322.6

322.8

323

323.2

323.4

323.6

323.8

Gru

nd

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GW Stand (m) LR (P) MLR (P, R)

-0.4

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1971

1974

1977

1980

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1986

1989

1992

1995

1998

Zeit (a)

Diff

ere

nz

ge

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sse

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liert

(m

)

1 km1,5 km

Donau

Einflussfaktor: Oberflächengewässer Interaktion


Wie lässt sich die restliche Variabilität erklären?

Weitere Faktoren: Anthropogene

Einflüsse Landnutzung Entnahmen?

322.6

322.8

323

323.2

323.4

323.6

323.8

Gru

nd

wa

sse

rsta

nd

(m

.a.s

.l)

GW Stand (m) LR (P) MLR (P, R)

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

1971

1974

1977

1980

1983

1986

1989

1992

1995

1998

Zeit (a)

Diff

ere

nz

ge

me

sse

n-s

imu

liert

(m

)

1 km1,5 km

Donau

1985

Kraftwerk Geisling BJ 1985


Fazit Anteil der durch Niederschlag erklärbaren

längerfristigen Variabilität des Grundwasserstandes stark standortabhängig

Zeitversatz von 2 bis 60 Wochen identifizierbar Wasserstand benachbarter Oberflächengewässer

kann weitere Variabilitäten erklären


Ausblick Einflussanteil Oberflächengewässer/Niederschlag Einfluss Temperatur (Verdunstung) Wechselwirkung unter Instationarität Anthropogene Einflüsse abgrenzen

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


Beispiel Stausee Dingolfing Landau

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

no

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W L

evel

-2

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0

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2

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W L

ev

el

GLOWA ID: 1000; Original ID: 1131734100045; Aquifer: ; GOK: 346.14; Sohltiefe: ; mittl. Flurabst.: 1.93467773437499; Proxel ID: 70033; i: 165; j: 334

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

no

rm.

GW

Lev

el

GLOWA ID: 1002; Original ID: 1131734100047; Aquifer: ; GOK: 348.16; Sohltiefe: ; mittl. Flurabst.: 3.28408447265628; Proxel ID: 70032; i: 165; j: 333

1

2

3

siehe DonauriedHessisches Ried

Jan van Heyden

Eventuell noch als Beispiel für anthropogenen Einfluss, Baumassnahmen und Oberflächen- Grundwasserinteraktion??

Jan van Heyden 1 , Roland Barthel 1 , Thorben Römer 1 , András Bárdossy 2

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