Einsatz der Gewässergütemodellierung in Wissenschaft und Praxis Übersicht zu Modellsystemen und den räumlichen und zeitlichen Anwendungsbereichen

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Einsatz der Gewässergütemodellierung in Wissenschaft und Praxis – Übersicht zu Modellsystemen und den räumlichen und zeitlichen Anwendungsbereichen

Prof. Dr.-Ing. André Niemann Florian Blaswich M.Sc.

Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft 6. Workshop: Gewässergütemodellierung 2018 Koblenz, 23/24. Oktober 2018

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Modellanwendungen und -ansätze

Übersicht zu nationalen und internationalen Modellansätzen

Deterministische Modelle / Bilanzmodelle - Systeme

Ausblick / Perspektiven und Herausforderungen

Inhalt

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André Niemann • Florian Blaswich • Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft • Universität Duisburg-Essen • Koblenz • 23. Oktober 2018

u.a.

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Auswahl nationaler und internationaler deterministische Modelle

QSim

DWA FGSM

AQUASIM

SOBEK

MIKE QUAL2

CASiMiR

CE-QUAL- W2

LARSIM

WASP

SWAT

NASIM/

HYDRO_AS-2d

u.v.m.

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Auswahl nationaler und internationaler Bilanzmodelle

MONERIS

MoRE

GREAT-ER

STOFFBILANZ

u.a.

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Modelle (Auswahl) Entwickler Anzahl der Anwendungen

QSim BfG > 70

DWA FGSM DWA > 50

AQUASIM EAWAG > 100

CE-QUAL US Army Corps of Engineers /

(Portland State University) 2.390 (Stand 10/2018)

DUFLOW/SOBEK/Delft 3-D WQ Deltares > 250

QUAL2 US EPA > 800 (hohe Anzahl unbekannter)

CASiMiR Universität Stuttgart > 60

WASP US EPA

LARSIM LARSIM-Entwicklergemeinschaft > 30 (geschätzt)

SWAT ARS/div. Einrichtungen > 300 (geschätzt)

MIKE DHI > 500

NASIM/HYDRO_AS-2D Hydrotec > 1.000

MONERIS IGB > 30

MoRE KIT, UBA in Entwicklung (hohe Aktualität)

GREAT-ER Universität Osnabrück > 40 (hohe Aktualität)

STOFFBILANZ TU Dresden, GALF unklar/offen

(Rechercheergebnisse/Befragungen 10/2018)

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Deterministische Modelle

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QSim DWA FGSM

Systembausteine von QSim

Quelle: BfG, 2012

Modellberechnung:

Wassertemperatur der Erft

Quelle: Christoffels, 2016

- Flusshygiene an Rhein und Berliner Gewässern (2016-2018)

- Wärmelastsimulation deutscher Gewässer (2016) - Phytoplanktonwachstum in Elbe und Weser (2015)

u.v.m.

Mehr als 70 Anwendungen bei der BfG seit 1980, u.a.:

Corbicula

Quelle:Wirbellotse.de

Bausteine:

Strahlung, Abfluss, Wassertemperatur, BSB/CSB, Nährstoffe, Konsumenten I & II, Sedimentaustausch, Schwebstoffe,

Sauerstoff, pH-Wert, Schwermetalle, Organische Schadstoffe, u.a.

Anwender: Deutschlandweit (Bayerisches Landesamt für Umwelt, BfG, div. Universitäten, Lippeverband,

Erftverband…), Niederlande, Luxemburg

Projekte: Erft, Neckar, Werse, Werre, Niers, Weiße Elster, Glems, Dhünn, Wupper, Altmühl, Lippe, Seseke, Main, Ruhr…

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AQUASIM DUFLOW/SOBEK/Delft 3-D WQ

Benutzeroberfläche SOBEK

Quelle: Deltares, 2018

Biofilm Reactors Mixed Reactors Flussabschnitte

Advective-Diffusive Reactors Gesättigte Bodensäulen

Compartmenttypes

Quelle: Reichert et al.

Prozesse:

Hydrodynamische Simulationen, Parameterabschätzungen, Analyse von Unsicherheiten, Advektion, Dispersion

Anwendungsbeispiele:

Zahlreiche Fließgewässer wie Lahn, Glatt, Limmat, u.a. auch Gewässergütemodellierung für die untere Havel (2001)

Durchgängigkeit am Abschlussdeich zwischen Ijsselmeer und Wattenmeer, Niederlande (Becker et.al., 2012),

Steuerreglement Oberrhein / Modellierung in SOBEK (Schwanenberg et al., 2008) u.v.m.

Prozesse:

Be- und Entwässerungssysteme, Flusssysteme, Kanalisations- systeme, Hochwasser- und Überflutungsszenarien, Gewässer- güteprognosen–Mgl. Detailbetrachtungen sind zu prüfen -

Modellkonzept RWQM1 der IWA

Quelle: Reichert et al.

Modulares Modellsystem 1D –2D – 3D (globale community)

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CASiMiR MIKE

Softwarepaket MIKE

Quelle: DHI, 2018

Module CASiMiR

Quelle: Schneider, 2018

Seit 2013 knapp 60 Anwendungen in 7 Ländern (EAWAG, ARGE Limnologie, KIT, Ingenieurbüros, Universitäten, Bezirksregierungen, …)

Anwender:

Staatliche Organisationen & öffentliche Träger,

Bauunternehmen, Ingenieure, Industriebetriebe, Hafen-, Wasser- & Energiewirtschaft

Größen:

Sediment, Temperatur, Bakterien, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor, Silikat, Phytoplankton, Zooplankton, benthische Algen

Modul Migration wird z.Zt.

hinsichtlich Auf- und

Abwärtswanderung erweitert

Größen:

Abfluss, Strömung, Wassertiefe, Fließgeschwindigkeit

Quelle: casimir-software.de, 2015

Modulares Modellsystem 1 - 3D

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QUAL2 CE-QUAL-W2

Anwendungen:

aktuell 2.390 Anwendungen in 166 Ländern an Flüssen, Seen und Ästuaren hinsichtlich Gewässertemperatur, Salinität, Algenwachstum, Nährstoffhaushalt, Sauerstoff 36 Anwendungen in Deutschland,

z.B. an Rhein, Ruhr, Wupper, auch Dhünn-Talsperre BMBF- ENERWA Projekt 2017 u.a.

Dhünn-Talsperre

Quelle: Wupperverband, 2017

Größen:

Sediment, Wassertemperatur, Sauerstoff, Bakterien, Stickstoff, Phosphor, Silikat, Zooplankton

Größen:

Sauerstoff, Temperatur, Algen, Stickstoff, Phosphor, Coliforme, Phytoplankton

Prozesse:

Hydraulische Simulationen, Zu- und Abflüsse, Stoffeinträge, und Nährstoffbelastung

Anwendungsbeispiele: mehr als 800 Anwendungen Gewässergütemodell des Bagmati River in Kathmandu, Nepal (Kannel et al., 2007)

Gewässergütemodell des Umpqua River, Oregon, USA (Turner et al., 2006)

Gewässergütemodell des Wenatchee River, Washington, USA (Cristeaet al., 2005) u.v.m. ….

Quelle: cee.odx.edu/w2/

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WASP

Größen:

Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor, Phytoplankton,

Sediment, Temperatur, Algen, Pathogene, Metalle, pH- Wert

Prozesse:

Stoffumsetzungsprozesse, Sedimenttransport, Sedimentinteraktion, Wassertemperatur

Einsatz am Umweltforschungszentrum Halle-Leipzig (UFZ), am Institut für Gewässerschutz in Magdeburg, Umsetzung der WRRL an der Saale

TU Darmstadt u.v.m. (vor allem international)

LARSIM

Wasserhaushalts- und Wassertemperaturmodell Anwendungsbereiche:

Klimafolgenuntersuchungen Landnutzungsänderungen

(Hydrologische) Bemessung / Sicherheitsüberprüfung Wärmelastplanung

Machbarkeitsstudien (z.B. Trinkwassertalsperre) Wirkungsanalysen (z.B. Hochwasserrückhalt Donau)

Regionalisierung von Abflüssen / Bedeutung von Punktquellen Grundwasserneubildung / Bodenwasserhaushalt und Antrieb von GW-Modellen

Hydrologischer Randantrieb für hydraulische Berechnungen (z.B. HWGK)

Hydrologischer Randantrieb für Stoffstrommodellierung (MONERIS-BW)

Forschung und Entwicklung Anwender:

Landesämter in Deutschland, Frankreich, Luxemburg, Österreich und der Schweiz, Ingenieurbüros

LARSIM-Prozesse

Quelle: larsim.info., 2018

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SWAT

Soil and Water Assessment Tool

Prozesse: Sedimenttransport, Nährstoffhaushalt, Einfluss von Pestiziden

Anwender:

USA, Verschiedene Institute und Einrichtungen in Südamerika, Europa, Afrika und Asien

In Deutschland (auch Weiterentwicklung): JLU Gießen (AG Frede), Uni Kiel (AG Fohrer), UFZ, u.v.m.

Weiterentwicklung SWIM am Potsdam Institute for Climate Impact Research: Soil an Water Integrated Tool Zahlreiche Kopplungsprojekte

SWAT-Gebietsbetrachtung

Quelle: swat.tamu.edu., 2018

HYDRO AS-2d

Größen:

Abfluss, Wassertemperatur, Fließgeschwindigkeit, Schad- und Schwebstoffe, Niederschlagsdaten, Schubspannung

Prozesse: Mit entsprechenden Add-Ons zu berechnen Überschwemmungsgrenzen, Überflutungsdauer, Strömungsgeschwindigkeiten, Wassertiefen, Retentionswirkung, Sohlschubspannung,

Schwebstoffablagerungen, Geschiebetransport, Wärmetransport

Anwendungsbeispiele: Über 300 Anwender weltweit Geschiebetransportmodellierung in der Salzach (2015), Entwicklung kommunaler Hochwasserschutzkonzepte (Lennestadt 2016), Hydraulische Modellierung im Rahmen von Polderplanungen am Rhein (2016) u.v.m.

HYDRO_AS-2D Zusatzmodule

Quelle: Hydrotec., 2018

Schad- und

Schwebstoffmodul

Keine aktive Stoffum- setzungsbetrachtung Alternativ: NASIM Stofftransportmodell (ohne Stoffumsetzung)

Prozesse:

Landoberfläche, Bodenzone

Prozesse:

Gerinne, Aue

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Bilanzmodelle

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MONERIS MoRE

N P

N P SM

^PAK

Aktuell: Betrieb und Weiterentwicklung (MoRE NRW) durch das LANUV NRW und weitere Organisationen

450 Flusssysteme Europas

Nährstoffberechnung Donau (2000-2016),

Umweltauswirkungen des globalen Wandels im Elbegebiet (2009-2011), Abschätzung der Nährstoffeinträge für die Flussgebietseinheit Weser (2011-2014), u.v.m.

Benutzeroberfläche MONERIS Quelle: Moneris.igb-berlin.de, 2018

Stoffeintragsmodellierung in Luxemburg mit MoRE, EU-Projekt: EmiSûre –Mikroschadstoffe in Gewässern Harmonisierung der Eintragsdaten und Ansätze im Inn- Einzugsgebiet, Analyse der Nährstoffeinträge in Baden- Württemberg, Forschung zur zeitlichen und räumlichen Auflösung im Nidda-Einzugsgebiet (2015-2018)

Quelle: Früh, D. et al., 2018

Mikro

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GREAT-ER STOFFBILANZ

Benutzeroberfläche STOFFBILANZ

Quelle: Gebel, M. et al., 2018

Prozesse:

Quantifizierung von pfadspezifischen, diffusen Stickstoff-, Phosphor- und Sedimenteinträgen

Anwendungen:

Bilanzierung der Nährstoffeinträge in sächsische Gewässer im Zeitraum 2016-2021 (2018), Berechnung des Sedimenteintrags für Baden-Württemberg (2017), Auswertung und Darstellung von Nährstoffmonitoringdaten im Elbeeinzugsgebiet (2016)

Mikro

Verfügbare Einzugsgebiete: Elbe, Ruhr, Sieg, Main, Donau, Itter, Hase, Glatt, ggf. weitere

N P

Eintrag und Verbleib von Chemikalien

(aus Krankenhäusern, Industrie und Landwirtschaft)

Anwendungsbeispiele

EU-Projekt: EmiSûre –Mikroschadstoffe in Gewässern

Modellierung von Zinkemissionen und –immissionen an der Ruhr (2007), Humanpharmazeutika in der Elbe (2002)

Anwender: Bezirksregierungen, Verbände, Universitäten

Aktuell: Betrieb und Weiterentwicklung (GREAT-ER NRW) durch das LANUV

Sediment

Benutzeroberfläche GREAT-ER NRW

Quelle: Früh, D. et al., 2018

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Ausblick, Perspektiven Herausforderungen der Gütemodellierung

Vielfalt der Systeme:

Es bleibt bei der Auswahl der Modelle je nach Fragestellung(en)

„Everything should be made as simple as possible, but not simplier“ [Albert Einstein]

Die Qualität der Modelle und der Ergebnisse hängt von Qualität und Quantität der Eingangsdaten und von der Erfahrung der Modellanwender ab

Nach wie vor hoher Zeitaufwand für Datenbedarf, -aufbereitung und Modellbildung, Kalibrierung sowie System- und Szenarienanalyse

Nach wie vor hat die Gütemodellierung ein hohes Potenzial zur Unterstützung bei der Maßnahmenplanung, von Genehmigungsverfahren und zur

Optimierung von Monitoringkonzepten Modellentwicklung findet statt ☺

Parallelisierung der Modelle als Chance zur Operationalisierung.

Die Digitalisierung bietet Chancen zur Weiterentwicklung darüber hinaus.

(Datenkopplung, Online-Prognosefähigkeit, verbesserte DSS-Fähigkeit, u.v.m.)

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Prof. Dr.-Ing. André Niemann Universität Duisburg-Essen

Zentrum für Wasser- und Umweltforschung Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft Universitätsstraße 15

45141 Essen

Mail: andre.niemann@uni-due.de Tel.: 0201/183-2225

Florian Blaswich M.Sc.

Universität Duisburg-Essen Zentrum für Wasser- und Umweltforschung Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft

Universitätsstraße 15 45141 Essen Mail: florian.blaswich@uni-due.de Tel.: 0201/183-2677