Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D : Diplomarbeit, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Chemisch-Geowissenschaftliche Fakultät

Jena

2005

130 S.

39 Abb., 8 Tab., zahlr. Lit. Ang.

Monographie

15632

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Im Kyotoprotokoll werden alte Wälder (Urwälder) als kohlenstoffneutral in Bezug auf die Definition von Quellen und Senken eingestuft. In Wissenschaftskreisen gilt dies jedoch als umstritten. Der Nationalpark Hainich (Westthüringen) kommt aufgrund seiner Nutzungsgeschichte einer potenziellen natürlichen Vegetation für Mitteleuropa sehr nahe. Aufgrund dieser Eigenschaft wurde er als Testgebiet zur Untersuchung des Kohlenstoffhaushaltes im Rahmen des Carbo-Europe-Clusters ausgewählt (vgl. Fink et al. 2004b). Dabei sollte überprüft werden, inwieweit alte Wälder im mitteleuropäischen Raum eine Kohlenstoffsenke darstellen oder ob sie sich im Bezug auf die Kohlenstoffbilanz neutral verhalten. Die durchgeführten Forschungsarbeiten des MPI-BGC Jena und der FSU Jena im Testgebiet (vgl. Fink et al. 2004b) ergaben eine Nettokohlenstoffbilanz von etwa -5 t C/ha a, die nicht durch die Messungen der Flüsse und Speicher im System erklärt werden konnte (Knohl et al. 2003). Als möglicher Austragspfad wurde der Transport von gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) über den Bodenwasserstrom und das Grundwasser in Betracht gezogen. Um die Menge an Kohlenstoff, die das System über den Wasserpfad verlässt, genauer quantifizieren zu können, muss die Erstellung einer plausiblen Wasserbilanz für das Gebiet gewährleistet sein. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde die hydrologische Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebieles im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D (Simunek et al. 1999) am Beispiel eines zweidimensionalen Hangprofils für die Jahre 2001 bis 2003 durchgeführt. Die Validierung der Modellergebnisse erfolgte dabei anhand zeitlich hochaufgelöster Messungen der Bodenfeuchte (5-Minuten-Werte zu Stundenwerten aggregiert) der hydrologischen Jahre 2002 und 2003. Auf der Basis dieser Simulation der Hangwasserdynamik erfolgte die Ableitung von Bodenwasserbilanzen für den Validierungszeitraum. Anhand der erzielten Ergebnisse wurde außerdem eine Evaluation des Modells HYDRUS-2D durchgeführt. Letzteres sollte zeigen, welche Möglichkeiten und Grenzen das Modell bei der Simulation der Hangwasserdynamik aufweist. In diesem Zusammenhang wurde auch die Übertragbarkeit des Modells auf andere Gebiete diskutiert. Bei der Durchführung der Simulation der Hangwasserdynamik traten, in Abhängigkeit der Eigenschaften des Testgebietes, Probleme auf, die zu verschiedenen Beschränkungen bei der Parametrisierung des Modells führten. Durch die geringe Hangneigung und die hydraulischen Eigenschaften des Tonbodens wurde im Verlauf der Simulation beispielsweise eine komplette Sättigung des Hangprofils erreicht. Unter solchen Bedingungen treten bei dem Modell HYDRUS-2D numerische Probleme auf, die zum Abbruch der Simulation führen. Um einen vollständigen Modelllauf zu gewährleisten, musste deshalb die Wasserdurchlässigkeit des Unterbodens soweit erhöht werden, dass diese vollständigen Sättigungserscheinungen nicht entstehen. In Bezug auf die Hangwasserdynamik bedeutet dies, dass vertikale Fließbewegungen gegenüber horizontalen Abflussprozessen dominieren. Die Parametrisierung eines nach unten wenig durchlässigen Bodenprofils zur Berücksichtigung der häufig für Hänge beschriebenen hydrologischen Verhältnisse mit Stauwassereffekten und lateralen Fließbewegungen war im Rahmen dieser Arbeit deshalb nicht möglich.