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
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
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?
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
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
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Vergleich verschiedener Grundwasserstandsmessreihen
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
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– …
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Grundwasserneubildung aus Niederschlag
gesättigte Zone
ungesättigte Zone
Niederschlag – ET - RD
Grundwasserneubildung aus Niederschlag
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Grundwasserneubildung aus Niederschlag
gesättigte Zone
ungesättigte Zone
Niederschlag – ET - RD
Grundwasserneubildung aus Niederschlag ?
?
Viele Unsicherheiten auf regionaler Skala Zeitlicher
Versatz/Dämpfung? Zwischenabfluss ? ET ?
?
?
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Direkte Grundwasserneubildung
gesättigte Zone
ungesättigte Zone
Niederschlag – ET - RD
Grundwasserneubildung aus Niederschlag ?
?
?
?
!
!
Längerfristig: Niederschlag ≈ Grundwasserstand
Viele Unsicherheiten auf regionaler Skala Zeitlicher
Versatz/Dämpfung? Zwischenabfluss ? ET ?
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
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
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
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
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Wie bestimmt man das „längerfristige“ mittlere Verhalten?
JG dominiert Kurzfristige
Wellenlängen
original Periodogram
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Wie bestimmt man das „längerfristige“ mittlere Verhalten?
original
Wellenlängen kleiner 1a eliminiert
JG dominiert Kurzfristige
Wellenlängen
LP Filter JG schwächer Langwellige
Komponenten deutlicher
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Wie bestimmt man das „längerfristige“ mittlere Verhalten?
original
Wellenlängen kleiner 1a eliminiert
Wellenlängen kleiner 2a eliminiert
JG dominiert Kurzfristige
Wellenlängen
LP Filter JG schwächer Langwellige
Komponenten deutlicher
JG eliminiert Nur
längerfristiges Verhalten übrig
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
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
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
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
Längerfristiges Klimaverhalten für das Untersuchungsgebiet ähnlich!
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Vergleich des langfristigen Verhaltens von Klima und GW
Vergleich Grundwassermessstellen
Pearson Korrelation der gefilterten Zeitreihen Grundwasserstände überwiegend
keine bis schwach positive Zusammenhänge untereinander
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Vergleich des langfristigen Verhaltens von Klima und GW
Vergleich Grundwassermessstellen
Pearson Korrelation der gefilterten Zeitreihen Grundwasserstände überwiegend
keine bis schwach positive Zusammenhänge untereinander
Größtenteils keine Zusammenhänge trotz ähnlichem KlimaverhaltenAndere Einflussfaktoren
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Niederschlag - Grundwasserinteraktion
Vergleich Klimastationen (Niederschlag) und Grundwassermessstellen Schwach bis stark positive
Zusammenhänge (0,26 - 0,84)
Zeitversatz 2 bis 60 Wochen
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Niederschlag - Grundwasserinteraktion
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?
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Niederschlag - Grundwasserinteraktion
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
wa
ss
ers
tan
d (
m.a
.s.l)
100
110
120
130
140
150
160
Nie
de
rsc
hla
g (
mm
)
GW Stand
Niederschlag
1 km
Donau
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Niederschlag - Grundwasserinteraktion
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
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
)
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
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
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
Einflussfaktor: Oberflächengewässer Interaktion
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
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
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
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
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Ausblick Einflussanteil Oberflächengewässer/Niederschlag Einfluss Temperatur (Verdunstung) Wechselwirkung unter Instationarität Anthropogene Einflüsse abgrenzen
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden
Beispiel Stausee Dingolfing Landau
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
no
rm. G
W L
evel
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
no
rm. G
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