Integriertes Modellsystem

Die ausgeprägten Dürreereignisse der letzten Jahre stellen eine immer größere Herausforderung für die Trinkwasserversorgung als auch die landwirtschaftliche Bewässerung dar. Die Interaktion zwischen Grundwasser und Oberflächengewässern sowie die Auswirkungen auf die flächenhafte Grundwasserneubildung, insbesondere in landwirtschaftlich genutzten Gebieten, gewinnen dabei an größer werdender Bedeutung. Die Quantifizierung der Wasserverfügbarkeit für multiple Nutzungen erfordert daher gekoppelte Modelle, die Wasser in Vegetation, Boden, Fließgewässern und Grundwasser berücksichtigen und simulieren. Im Rahmen des Projekts wird auf der Skala der gesamten Einzugsgebiete, die die Trinkwassergewinnungsgebiete der Stadt Freiburg enthalten, ein solches Modellsystem erstellt. Hierbei wird das prozessbasierte bodenhydrologische Modell RoGeR um landwirtschaftliche Fruchtfolgen aus dem geodatenbasierten, agrarökonomischen Modell PALUD erweitert sowie weitergehend mit einem MODFLOW Grundwassermodell gekoppelt. Das Modellsystem soll daher als ganzheitliches Entscheidungswerkzeug für eine nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung dienen. Stresstestszenarien sollen weiterhin zu einem besseren Verständnis von Dürre, Nutzungskonkurrenzen, Nitratbelastung sowie für regulatorische und ökonomische Anforderungen beitragen.

Das Modellgebiet umfasst die Einzugsgebiete der Flüsse Dreisam, Möhlin und Neumagen mit einer Fläche von insgesamt ca. 31 km in Ost-West- x 39 km in Nord-Süd-Richtung und erstreckt sich von niedrigen Höhenlagen von ca. 175 m ü. NN im Oberrheingraben bis in den Hochschwarzwald mit dem Feldberggipfel auf ca. 1494 m ü. NN. Hydrogeologisch wird das Modellgebiet durch den Übergang zwischen dem kristallinen Schwarzwald und dem Oberrheingraben geprägt. Quartäre, grobklastische Kiese bilden im Oberrhein mächtige, lateral zusammenhängende, mehrstöckige Grundwasserleiter. Der Schwarzwald hingegen weist durch überwiegend auftretende Magmatide und Metarmorphite ein Grundwassergeringleiter auf. Grundwasser tritt hier vor allem in Klüften, Störungen sowie in oberflächennahen Schichten auf. Insbesondere der Übergang von Schwarzwald zu Oberrheingraben weist teils sehr komplexe hydrogeologische Verwerfungen auf. 

Abbildung 1: Übersicht über das Modellgebiet

Abbildung 2: Eigene Dartsellung mit hydrogelogischer Übersichstkarte HÜK 300 (RP Freiburg - LGRB 2021, Kartenviewer, https://maps.lgrb-bw.de/)

Die komplexen und vielschichtige hydrogeologischen Formationen im Modellgebiet sowie die Größe des Gebiets bringen Herausforderungen für die Parametrisierung des Grundwassermodells mit sich. Zur Kalibrierung des MODFLOW-Modells wurden daher 5000 stationäre Rechenläufe mit insgesamt 27 Freiheitsgraden durchgeführt, um die hydraulische Leitfähigkeit zu optimieren und die Modellergebnisse auf die mittleren Grundwasserstände von ausgewählten Grundwassermessstellen anzugleichen. Örtlich zeigen sich nach der Optimierung weiterhin Abweichungen der simulierten zu den gemessenen GW-Flurabständen von ± 4 m. 

 
In weiteren Schritten werden nun die Oberflächengewässer durch das SFR-Package (Streamflow-Routing) in das Modell integriert, um die Oberflächen-Grundwasser-Interaktion zu berücksichtigen. Anschließend können die ersten transienten Testläufe gestartet werden.

Ziel der Modellkopplung sind Stresstest-Szenarien, die nach erfolgreicher Kalibrierung des Gesamtmodells gerechnet werden sollen. Dabei werden unterschiedliche Kombinationen aus Dürreereignissen, landwirtschaftlicher Bewässerung und Düngemitteleinsatz durchgerechnet um Aufschlüsse über Wassernutzungsstress, Bewässerungsbedarf und Wasserentnahme sowie landwirtschaftliche Ertragseffekte zu gewinnen.