Simulationsmodelle können durch ein hohes Maß an Transparenz dazu beitragen, das Verständnis für komplexe umweltrelevante Prozesse zu erhöhen. Häufig werden sie mit dem Ziel einer Prognostizierbarkeit von Eingriffen in den Naturhaushalt und deren Auswirkungen entwickelt. Ein medienübergreifender, integrativer Modellierungsansatz ist im Sinne der modernen Ökosystemforschung erstrebenswert. In diesem Punkt sind jedoch die Grenzen der aktuellen Modellentwicklung zu erkennen. Während sektorale Umweltprozesse nicht zuletzt wegen der Validierungsmöglichkeit gut abzubilden sind, können Ergebnisse komplexer oder globaler Modellansätze schlecht verifiziert werden.
Das in diesem Kapitel beschriebene Simulationsmodell WASMOD & STOMOD baut auf einem im Forschungsvorhaben "Darstellung der Vorhersagemöglichkeiten der Bodenbelastung durch Umweltchemikalien" (FRÄNZLE et al. 1987) entwickelten Modellansatz zur Beschreibung der Bodenwasserdynamik sowie des vertikalen Stofftransportes und der De- und Adsorptionsdynamik auf. Die Weiterentwicklung des Grundmodells beinhaltete die Anbindung von Modulen zur Beschreibung des Boden-Stickstoffhaushaltes, die Entwicklung von Teilmodellen zum flächenhaften Einsatz und die Einbeziehung eines Geographischen Informationssystems (FRÄNZLE et al. 1991, REICHE 1991).
Das Simulationsmodell WASMOD & STOMOD ist ein modular aufgebautes Modellsystem, das u.a. die Wasser- und Stickstoffdynamik terrestrischer Ökosysteme beschreibt und flächenhaft bilanziert.
Die flächendeckende Anwendbarkeit von WASMOD & STOMOD erfordert eine Beschränkung der Eingabeparameter auf möglichst wenige und allgemein verfügbare bzw. aus vorhandenem Datenmaterial ableitbare Eingangsvariablen. Die notwendigen Eingangsdaten beschränken sich auf:
Der nächste Abschnitt beschreibt die Teilmodelle zur Berechnung des Wasserhaushaltes in Anlehnung an REICHE (1991, 1994, 1995). Die berechneten Wasserhaushaltsgrößen und die Parameter der Bodenwasserdynamik sind bei der späteren Simulation der Phosphatdynamik im Boden (Kap. 6) wichtige Eingangsdaten. Auf eine detaillierte Beschreibung der Teilmodelle zur N-Dynamik und zur C-Transformation (STOMOD) wird an dieser Stelle verzichtet.
WASMOD ist ein mathematisches Modell, das die Wasserdynamik in der Bodenzone darstellt. Die Berechnung des Wasserhaushalts erfolgt durch die Teilmodelle Bodenwasserdynamik, Evapotranspiration, Interzeption und Oberflächenabfluß.
Die vertikale Bodenwasserbewegung läßt sich durch die von der Kontinuitätsgleichung und dem DARCY-Gesetz abgeleitete allgemeine Bewegungsgleichung des Bodenwassers beschreiben.
Die Änderung des Bodenwassergehaltes pro Zeiteinheit hängt von den Veränderungen des Gradienten des Matrixpotentials entlang der vertikalen Raumachse z ab, welche die Fließrichtung darstellt. Sie wird wesentlich durch die Größe des Durchlässigkeitsbeiwertes k bestimmt. Die Kompartimentierung der Bodensäule erfolgt in beliebig viele Schichten festgelegter Mächtigkeit. Die Bodenwasserbewegung zwischen den Kompartimenten kann ein iterativ ablaufendes Rechenmodell beschreiben.
Die Anbindung der Wasserbewegung in der Bodensäule an die Grundwasserdynamik erfolgt durch die Berechnung des Potentialgradienten zwischen dem Matrixpotential in dem untersten Bodenkompartiment und dem sich unter stationären Bedingungen einstellenden Matrixpotential.
Die Grundlage zur Berechnung des Grundwasser- und Dränabflusses bildet die Gleichung 5-3. Der Abfluß wird stark vereinfacht in Abhängigkeit vom Gefälle zwischen dem zu betrachtenden Punkt und dem Vorfluter berechnet. Als Steuergröße dient die Durchlässigkeit des Grundwasserleiters bzw. des Bodenhorizontes (k-Wert).Die oberen Randbedingungen der Bodenwasserdynamik werden neben dem Niederschlag durch die Interzeption, die Evapotranspiration und temporär auftretendes Oberflächenwasser bestimmt. Die Interzeption wird nach dem empirisch ermittelten Regressionsansatz von HOYNINGEN-HUENE (1983) geschätzt.
Ni=-0.42+0.245No+0.2LAI+0.0271NoLAI-0.0111No2-0.0109LAI2 (5-4)
Gleichung Interzeption
mit: No Niederschlagsintensität
LAI Blattflächenindex
Die Berechnung zur aktuellen Evapotranspiration (BRAUN 1975) basiert auf der potentiellen Evapotranspiration nach HAUDE (1954). Hierbei wird die Differenz aus potentieller Evapotranspiration und Interzeption mit einem phänologischen Korrekturfaktor (ERNSTBERGER 1987) multipliziert. Die aktuelle Evapotranspiration wird in Abhängigkeit von der Durchwurzelungstiefe und dem Matrixpotential berechnet.
Die Randbedingungen, die zur Entstehung von Oberflächenwasser führen können, sollen in dieser Arbeit nicht näher erläutert werden. Es sei auf die eingangs dieses Kapitels zitierte Literatur verwiesen. Abbildung 5-1 zeigt die Submodelle des Modellsystems WASMOD.
Abb. 5-1: Teilmodelle zur Simulation des Wasserhaushaltes (aus: REICHE 1994)
Die Gestaltung und Durchführung gebietsbezogener Modellrechnungen erfordert eine räumliche Verortung der Eingangsvariablen des Modells WASMOD & STOMOD sowie der Ergebnisse. Dies wird durch den Einsatz eines GIS gewährleistet. Als GIS-Software wird ARC/INFO eingesetzt. Das Teilsystem ARC verwaltet die im Vektorformat abgespeicherten Geometriedaten der Punkt-, Linien- oder Polygonkarten. In INFO sind die Topologiedaten der geometrischen Figuren und ihre Attribute gespeichert. Als leistungsfähigere Datenbanken stehen ORACLE und dBASE zu Verfügung. Die Verknüpfung der raumbezogenen Daten findet über eine gemeinsame ID statt. Seit der Version 6.0 bietet ARC/INFO mit dem Modul GRID zusätzlich die Möglichkeit der rasterbezogenen Datenauswertung.
Die GIS-Anbindung an das Simulationsmodell erlaubt die flächenscharfe Bilanzierung und Umsetzung der Ergebnisse. Zusätzlich liefert das GIS selbst wichtige Parameter und ermöglicht eine ansprechende graphische Präsentation der Daten.
Die zusätzliche Entwicklung eines Software-Umfeldes ermöglicht zum einen die Bereitstellung der erforderlichen raumbezogenen Eingabeparameter und zum anderen die Erstellung von Parameterdateien. Weiterhin ist dadurch eine weitgehend menugesteuerte Modellierung möglich (REICHE & MÜLLER 1994).
Abbildung 5-2 zeigt in einer Übersicht die Verknüpfung von GIS, Modellsystem und Datenbank.
Abb. 5-2: Verknüpfung von Modellsystem, Datenbank und geographischem Informations- system (aus: REICHE & MÜLLER 1994)