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TP 5: Salzwassereintrag in die Unterweser und Wasserhaushalt angrenzender tidebeeinflusster Gewässer

Ziel von TP 5 ist die integrierte Analyse von Wasserhaushalt, Grundwasser- sowie Hydrodynamik im Einzugsgebiet der Unterweser (Abbildung 1). Die entwickelten Tools und Ergebnisse der drei Teilprojekte können für vielfältige Nutzungen im Bereich Wasserressourcen- und Flussgebietsmanagement zur Verfügung gestellt werden und ermöglichen eine nachhaltige Planung unter Berücksichtigung von Klimaänderungen.

Abb.1: Synergien und Austauschgrößen in TP 5

TP 5.1: Wasserhaushalt tidebeeinflusster Einzugsgebiete

Ziel von Teilprojekt 5.1 ist die Untersuchung des Einflusses von Klimaänderungen auf den Wasserhaushalt im Einzugsgebiet der Unterweser.

Hierzu werden Langzeitsimulationen des Wasserhaushalts mit dem hydrologischen Modellsystem Panta Rhei durchgeführt. Kalibrierung und Validierung erfolgt mit historischen Abflussdaten. Belastungen durch Klimaszenarien (bis zum Jahr 2100) führen zu flächendeckenden Aussagen über die zukünftige Entwicklung bzw. Veränderung wichtiger hydrologischer und agrarökologischer Variablen wie beispielsweise die Wasserführung der Gewässer, die Grundwasserneubildung oder der mittlere Wassergehalt des Oberbodens.

Das Modellgebiet der Unterweser umfasst eine Gesamtfläche von ca. 7000 km². Anhand der hydrographischen Karte Niedersachsen wurde das Modellgebiet in insgesamt 626 Teileinzugsgebiete untergliedert und in etwa 14.000 Hydrotope weiter detailliert. Neben der Gebietsgeometrie werden Landnutzungs- und bodenhydraulische Parameter verarbeitet. Abbildung 2 zeigt eine Übersichtskarte des Modellgebiets für das Wasserhaushaltsmodell. Eingetragen sind die 626 Teileinzugsgebiete und die Hauptgewässer sowie alle verfügbaren Pegel- und Grundwassermeßstellen. Zur Orientierung ist zusätzlich das Land Bremen als Umriss dargestellt.

Abb.2: Übersichtskarte des Modellgebiets für das Wasserhaushaltsmodell. Dargestellt sind 626 Teileinzugsgebiete, die Hauptgewässer sowie alle verfügbaren Pegel- und Grundwassermeßstellen. Zur Orientierung ist zusätzlich das Land Bremen als Umriss dargestellt.

Zwischenergebnisse der Modellkalibrierung sind in Abbildung 3 dargestellt. Die blauen Kurven symbolisieren die gemessenen Abflüsse (Tages- und Monatswerte sowie Summen über den Simulationszeitraum), die roten Kurven stehen für die entsprechenden Ergebnisse des Modells.

Abb.3: Zwischenergebnisse der Kalibrierung. Gang- und Summenlinie des gemessenen und simulierten Abflusses am Pegel Holzkamp (links oben) bzw. Veerse (rechts oben). Sowie monatliche Mittelwerte des gemessenen und simulierten Abflusses und des Gebietsniederschlags für das Pegelgebiet Holzkamp (links unten) bzw. Veerse (rechts unten).

TP-Leiter: Prof. Dr.-Ing. G. Meon, Leichtweiß-Institut für Wasserbau der Technischen Universität Braunschweig

Bearbeiter: Dipl.-Geoök. Philip Kreye, Dr. Ing. Gerhard Riedel

 

TP 5.2: Salzintrusion ins Weserästuar

Im Fokus des Teilprojektes 5.2 steht die Salzintrusion ins Weserästuar. Mit Hilfe eines 3D baroklinen Zirkulationsmodells werden die Auswirkungen von prognostizierten Klima- und Meeresspiegelveränderungen untersucht. Die Berechnung erfolgt mit Hilfe des Simulationswerkzeugs SELFE (Zhang & Baptista 2008), welches besonders für die skalenübergreifende Modellierung von komplexen Fluss-Ästuar-Schelf-Ozean Systemen geeignet ist und auf den 3DFlachwassergleichungen basiert. Die Diskretisierung beruht auf einem Dreiecksnetz finiter Elemente in der Horizontalen und hybriden sz-Levels in der Vertikalen. Die semi-implizite Berechnung sowie die Parallelisierung des Programmcodes ermöglichen eine genaue und effiziente Berechnung. Es wurde ein komplexes hydrodynamisches Modell erstellt, welches von der Deutschen Bucht bis zum Tidewehr in Bremen reicht und eine Diskretisierungstiefe zwischen 1000 m im äußeren Wattenbereich und 5 m im Stadtbereich Bremen aufweist. Als geschlossener Rand dient die Hauptdeichlinie entlang des Ästuars. Zur realitätsnahen Simulation von Extremereignissen werden Überschwemmungsflächen und Sommerdeiche vom Modell exakt abgebildet. Das Modell wurde anhand von normalen Zuständen und Extremereignissen der Vergangenheit kalibriert. Zum Vergleich dienen Messreihen von Wasserständen, Salzgehalten und Strömungsgeschwindigkeiten an 17 Messpositionen im Ästuar.

Abb.4: Untersuchungsgebiet mit Kalibrierpegeln und Detail des Berechnungsnetztes.

Abb.5: Vergleich zwischen simulierten und beobachteten Wasserspiegeln, Strömungsgeschwindigkeiten und Salzgehalten für einen beispielhaften Zeitraum im April 2009 am Pegel Messpfahl Bremerhaven.

TP-Leiter: Prof. Dr.-Ing. T. Schlurmann, Franzius-Institut für Wasserbau und Küsteningenieurwesen der Leibniz-Universität Hannover

Bearbeiter/-in: Dipl.-Ing. Anna Zorndt, Dr.-Ing. Nils Goseberg

 

Die folgenden Videos zeigen Animationen der Modellierungsergebnisse des TP5.2. Das Franzius Institut für Wasserbau und Küsteningenieurwesen der Universität Hannover beschäftigt sich im Rahmen von KLIFF mit der Analyse des Klimawandeleinflusses auf das Weserästuar.

Hierfür werden numerische Simulationen mit Hilfe des 3D baroklinen Zirkulationsmodells SELFE durchgeführt. In solchen Simulationen können Wasserstände, Strömungsgeschwindigkeiten, Salzgehalte u. v. m. im gesamten Fluss- und Küstenbereich über die Zeit berechnet werden. Dies wird zunächst für den IST-Zustand und dann für Klimawandelszenarien durchgeführt.

Das für diese Filme verwendete Modell besteht aus einem unstrukturierten Dreiecksnetz mit ca. 170.000 Knoten und die Wassersäule wird mit 37 terrainfolgenden Schichten aufgelöst.

Tidenhub in der Wesermündung: Modell hindcast, April 2009, Simulation über 25 Stunden (Franzius-Institut für Wasserbau und Küsteningenieurwesen, Leibniz-Universität Hannover)

 

Der Film zeigt die Ergebnisse für die Wasserstände während eines IST-Zustandes gerechnet für April 2009. Durch die farblich dargestellte Wasserspiegelauslenkung lässt sich beobachten, wie die Tidewelle am offenen Rand zur Nordsee in das Ästuar einläuft und sich weiter in Richtung Wehr und zurück bewegt.
(Dipl.-Ing. Anna Zorndt, Franzius Institut).

Salinität in der Wesermündung im Verlauf der Tide: Modell hindcast, April 2009, Simulation über 25 Stunden (Franzius-Institut für Wasserbau und Küsteningenieurwesen, Leibniz-Universität Hannover)

 

Dieser Film zeigt die Ergebnisse für die Salzgehalte während eines IST-Zustandes gerechnet für April 2009. Entlang eines Schnittes durch den Fluss vom Wehr (links) bis zur Nordsee (rechts) werden die Salzgehalte über die Tiefe der Wassersäule dargestellt.
Es ist zu beobachten, wie mit der einlaufenden Tide die Brackwasserzone, welche den Übergangsbereich zwischen Salzwasser (rot) und Frischwasser (blau) darstellt, weiter ins Ästuar propagiert, und sich bei auslaufender Tide wieder in Richtung Nordsee zurück bewegt.

(Dipl.-Ing. Anna Zorndt, Franzius Institut)

TP 5.3: Grundwasserversalzung

Ziel dieses Teilprojektes ist die Untersuchung des Einflusses des Klimawandels auf die Versalzung des Grundwassers im Einzugsgebiet der Unterweser. Eine solche Versalzung kann infolge eines Meeresspiegelanstiegs durch unterirdische Salzintrusion  oder durch Wellenüberlauf und advektiven Transport von der Oberfläche ins Grundwasser erfolgen. Folgende Methoden werden genutzt:

  • Grundwasserhaushaltsmodellierung für integrierte Oberflächen-Grundwasser-Systeme unter Berücksichtigung dreidimensionaler Strömungsprozesse, dichteabhängiger Strömung und Meeresspiegelveränderungen
  • Modellwerkzeug HydroGeoSphere (Therrien, R., McLaren, R.G., Sudicky, E.A., Panday, S.M. (2010) ‚’HydroGeoSphere. A three-dimensional numerical model describing fully-integrated subsurface and surface flow and solute transport’, Groundwater Simulation Group, http://hydrogeosphere.org), ergänzt um ein neu entwickeltes halbautomatisiertes dreistufiges Verfahren zur Kopplung von ober- und unterirdischen dichtebehafteten Strömungs- und Transportprozessen
  • Durchführung dreidimensionaler standortbezogener prozessorientierter numerischer Parameterstudien (Szenariomodellierung und Sensitivitätsanalysen) auf unterschiedlichen Skalen bis zur Größe der Modellregion
  • Einsatz innovativer Geländemessungen (Direct-Push-basierte Erkundungsverfahren zur Bestimmung von Grundwasserstandsdaten, zur Charakterisierung der Grundwasserdynamik und der Lage der Salzwasser-Süßwasser Grenzschicht im Untergrund sowie zur Bestimmung von Aquiferparametern) in ausgewählten Teilgebieten der Modellregion, Integration der Erkundungsergebnisse in die numerischen Modelle

Die Abbildungen 6 und 7 zeigen Beispiele der ersten Ergebnisse dieser Untersuchungen. Abbildung 1 zeigt ein 2D-Schnitt-Modell. Diese Modelle werden zur Bestimmung der Einflüsse des Tideeinflusses, einer Meeresspiegelerhöhung und einer sehr starken Sturmflut auf die Salzkonzentrationsverteilung im Grundwasser benutzt. In Abbildung 2 ist ein 3D-Modell des gesamten Unterweser-Einzugsgebietes zu sehen.

Abb.6: Beispiel 2D-Modell: Wellenüberlauf Deich, 2 h Dauer, Verteilung der Salzkonzentration [mg/l] nach 10 Jahren

Abb.7: Beispiel 3D-Modell: Salzkonzentrationsverteilung im Oberflächenwasser und im Grundwasser: tds = total dissolved solids; 0 = Süßwasser; 1 = Salzwasser

Die folgenden Arbeiten stehen in der zweiten Phase im Fokus des TP:

  • Prozessorientierte Prognosemodellierung für Istzustand und Klimaszenarien im Hinblick auf Süßwasserverfügbarkeit, Wasserqualität und Lage der Salz-/Süßwasser-Grenzschicht im Untergrund unter Beteiligung der Projektpartner (auf unterschiedlichen Skalen bis zur Größe der Modellregion), Validierung anhand von Felddaten, Interpretation und Modellbeurteilung
  • Identifizierung der die Salzwasser- und Süßwasserdynamik steuernden Parameter und Größen
  • Charakterisierung der Reaktion des Systems Grundwasserleiter-Vorfluter-Küstengewässer auf veränderte hydraulische und hydrologische Randbedingungen
  • Gemeinsame Entwicklung von Anpassungsstrategien im TP 5, hier angepasste nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung

TP-Leiter: Prof. Dr.-Ing. T. Ptak, Prof. Dr. Martin Sauter, Abteilung Angewandte Geologie der Universität Göttingen

Bearbeiter/-in: Dr. Maria Herold, Jie Yang, MSc.

Kooperation: Prof. Dr. Thomas Graf, Universität Hannover