Hydrologische Modellierung

Hydrologische Extremereignisse rund um den Klimawandel rücken die hydrologische Modellierung mehr denn je in den Vordergrund. Hydrologische Modelle analysieren Wassersysteme hinsichtlich praktischer Fragestellungen und bilden die Basis für tiefergehende Untersuchungen, Analysen und politische Entscheidungen. Sie bedienen sich vorrangig physikalischer Gesetzmäßigkeiten und dienen dazu, hydrologische Systeme auf vereinfachte Weise zu vermitteln. 

Parameter wie Regen, Verdunstung, Abfluss, Versickerung und Rückhalt eines natürlichen Wasserhaushalts lassen sich damit abbilden. Das Ziel der hydrologischen Modellierung ist in erster Linie ein besseres Verständnis der jeweiligen systemischen Prozesse und Zusammenhänge. Dazu zählen unter anderem:

• die Abflussprozesse im Einzugsgebiet
• die Abflussdynamik von Fließgewässern
• Analyse der Auswirkungen äußerer Einflüsse auf den jeweiligen Wasserhaushalt

Grundsätzlich gibt es je nach Verwendungszweck unterschiedliche hydrologische Modelle. So eignen sich statistische Modelle wunderbar zur Analyse und Vorhersage von Hochwasser, wohingegen numerische Modelle den Lauf von Fließgewässern simulieren und für Prognosen und zur Bewertung von Veränderungen verwendet werden können.

Modellierungen greifen unterschiedliche Problemstellungen hydrologischer Systeme auf, analysieren diese und bieten Lösungsansätze. Die Ergebnisse können auch als Grundlage für weitere Untersuchungen und Analysen dienen. Mögliche praktische Einsätze von hydrologischen Modellen sind:

Ein großes Anwendungsgebiet von Modellen befasst sich mit der Simulation und dem Erforschen von Extremereignissen. Die Modellierung von Fließgewässern ist eine wesentliche Voraussetzung für ein vorausschauendes Hochwassermanagement. Das gilt sowohl für präventive Maßnahmen wie den Hochwasserschutz als auch für die Hochwasserbewältigung. Ziel der Modelle kann sein, umsetzbare Hochwasserschutzmaßnahmen anhand der Analysen abzuleiten oder die Wahrscheinlichkeit von Extremereignissen vorherzusagen.

Welche hydraulischen Konsequenzen hat der Bau von Straßen, Brücken, Gewerbe- und Industriegebieten? Wie wirkt sich Abholzung oder Bewässerung auf den Wasserkreislauf des Grundwassers aus? Sobald Menschen in den natürlichen Aktionsraum eines Gewässers eindringen, verändert sich dessen System. Modellierungen helfen dabei, die Auswirkungen und veränderten Prozesse abzubilden. Bei starken Änderungen im Wasserkreislauf können anhand der Modelle Gegenmaßnahmen erarbeitet werden.

Hydrologische Modelle bilden die Basis für die Strategieentwicklung von Wasserkraftwerken und Stauanlagen. Modellierungen des Durchflusses, der Unterwasser- und Oberspiegellage sowie des allgemeinen Wasserdargebots lassen Prognosen zu den Auswirkungen des Baus einer Stauanlage oder eines Wasserkraftwerks zu. Die Modelle eignen sich auch als operationelles Mittel für zukünftige Hochwassersimulation in der Anlage oder dem Kraftwerk.

Mathematische Modellierungen zum Wasserhaushalt ermöglichen es, hydrologische Prozesse des Wasserflusses zu simulieren und zu bestimmen. So kann zum Beispiel der Abfluss in einem Fließgewässer infolge von Niederschlag berechnet werden. Auch Änderungen im Wasserhaushalt lassen sich mit einem hydrologischen Modell abbilden. Anhand der Modelle können Vorhersagen bezüglich des Wasserstandes für das ausgewählte Gewässer in den kommenden Tagen getroffen werden. Es lassen sich beliebige Teilsysteme eines Wasserkreislaufs separat berechnen.

Fällt die Niederschlagsmenge in den kommenden Jahren weiterhin geringer aus oder höher? Wie wirken sich Niederschlag, Extremereignisse und Trockenperioden auf den Wasserkreislauf aus? Wie hoch ist das Risiko, dass das Trinkwasser knapp wird? Modellierungen helfen dabei, die Auswirkungen des Klimawandels auf die Wasserwirtschaft abzuschätzen.

Das Dargebot an erneuerbaren Wasserressourcen verändert sich laufend, immerhin kommt es infolge der globalen Erderwärmung vermehrt zu Niedrigwassersituationen und Dürren. Was sich allerdings nicht verändert, ist die Bedeutung von Wasser für die menschliche Gesundheit, die Aufrechterhaltung natürlicher Ökosysteme und die Wirtschaft. Umso wichtiger ist ein nachhaltiges Wasserressourcenmanagement.

Hydrologische Modelle helfen bei der Planung und Umsetzung langfristiger Wassermanagementstrategien und erhöhen damit die Widerstandsfähigkeit von Gemeinden bei Krisen und Extremereignissen. Mit den Modellen lassen sich beispielsweise die Auswirkungen von Dürren oder Überschwemmungen auf hydrologische Systeme vorhersagen. Sie bilden weiterhin die Basis zur Strategieentwicklung, unter anderem um Flüsse auf bevorstehende Dürren und Niedrigwasser vorzubereiten.

Inwieweit wird der Abflussprozess eines Gewässers durch wasserwirtschaftliche Maßnahmen reguliert? Welche Veränderungen treten im Abflussverhältnis auf? Modelle sind in der Lage, sich diesen Fragestellungen anzunehmen und damit wichtige Beiträge zu einem integrierten Wasserressourcenmanagement zu liefern.

Eine Grundvoraussetzung für ein effizientes Modell sind Daten aus verschiedenen Quellen und Bereichen. Dazu zählen hydrologische, geologische, topographische und meteorologische Daten. Messungen vor Ort im jeweiligen Einzugsgebiet spielen ebenfalls eine wesentliche Rolle zur Ausarbeitung des Modells. Ein Modell zur Erfassung des Abflusses eines Kanals benötigt beispielsweise folgende Daten:

• Daten über Position und Einzugsgebiet
• Lokale geologische Daten wie Seehöhe
• Oberflächendaten
• Niederschlagsdaten
• Abflussdaten
• Bodenparameter
• Klimadaten

Grundsätzlich können die Daten sowohl manuell als auch automatisch (anhand von Datenbanken) erfasst werden. Um das Modell zu validieren, werden die Ergebnisse erster Simulationen mit bereits vorhandenen relevanten Daten abgeglichen. Für die erfolgreiche Entwicklung und Anwendung eines hydrologischen Modells arbeiten Experten aus verschiedenen Bereichen zusammen. Nur wenn Fachwissen aus Gebieten wie Hydrologie, Geologie und Informatik zusammenfließt, hat das Modell eine Zukunft.

AKVOs Experten für Umwelt, Energie und Wasser erarbeiten gerne ein auf Ihr Vorhaben abgestimmtes hydrologisches Modell.