Flächendifferenzierte Grundwasserneubildung von Deutschland

Als wichtige Wasserbilanzgröße stellt die Grundwasserneubildung ein Maß für die natürliche Erneuerbarkeit der Grundwasserressourcen dar. Definitionsgemäß beschreibt sie den Niederschlagsanteil, der als Sickerwasser den Grundwasserraum erreicht. Da die Grundwasserneubildung im Gegensatz zu anderen Wasserhaushaltsgrößen nicht direkt gemessen werden kann, sind zu ihrer Ermittlung in allen Skalenbereichen modellgestützte Ansätze erforderlich. Eine makroskalige, deutschlandweit einheitliche Modellierung der Grundwasserneubildung wurde erstmalig für den Hydrologischen Atlas von Deutschland (HAD) vorgenommen. Aufgrund der Tatsache, dass die bestehenden Ansätze dazu nicht optimal geeignet erschienen, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit speziell zu diesem Zweck der statistische Ansatz HAD-GWNeu neu entwickelt. Das Konzept von HAD-GWNeu beruht auf den Vorgaben der DIN 4049-3, wonach der mittlere, pegelbezogene Niedrigwasserabfluss der Grundwasserneubildung des zugehörigen Einzugsgebietes entspricht. Die Kalibrierung des Regressionsansatzes wurde auf der Grundlage von Tageswerten des Gesamtabflusses (R) der Zeitreihe 1961/90 aus 106 Einzugsgebieten in Deutschland durchgeführt. Anhand dieser Zeitreihen wurden die Regressionszielgrößen Basisabfluss (RB) und der entsprechende Baseflow-Index (RB/R), basierend auf einer Modifikation des empirischen Separationsverfahrens von KILLE (1970), ermittelt. Als unabhängige Variablen wurden vor allem die digitalen Daten des HAD verwendet. Ziel der Regressionsanalysen war es, die signifikanten Zusammenhänge zwischen den beiden hydrologischen Zielgrößen und den gebietsbeschreibenden Kennwerten zu identifizieren. Die daraus resultierenden Algorithmen wurden dann mit dem makroskaligen Verdunstungsmodell BAGLUVA gekoppelt und zur flächendifferenzierten Ermittlung der Grundwasserneubildung eingesetzt. Die zweistufige Vorgehensweise HAD-GWNeu wurde unter der Maßgabe der statistischen Fehlerminimierung entwickelt und ermöglicht die datenspezifisch bestmögliche Anpassung des Verfahrens an die pegelbezogenen Referenzwerte. Die räumliche Differenzierung der berechneten Grundwasserneubildungsraten zeichnet sich durch den großräumigen Einfluss des Niederschlags und die kleinräumig wirksamen Auswirkungen der Standortfaktoren Boden, Landnutzung, Relief und Hydrogeologie aus. Die Validierung der Modellergebnisse zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen den rasterbasierten Werten und den Basisabflusshöhen im Einzugsgebietsmaßstab. Zusätzlich zur Validierung wurden Parametersensitivitäten, Residuen und Modellunsicherheiten untersucht, die in Verbindung mit einem detaillierten Verfahrensvergleich die Plausibilität des Regressionsansatzes HAD-GWNeu und seiner deutschlandweiten Anwendung bestätigen. In der vorliegenden Arbeit werden die methodischen Grundlagen und die Anwendung des neu entwickelten Verfahrens detailliert beschrieben. Die gewonnenen Erkenntnisse sind insbesondere auch im Hinblick auf die Anforderungen der EU-Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL) von Bedeutung.