Leitung: Olaf Cirpka, Universität Tübingen (FB Geowissenschaften)

Im ersten Projektjahr werden – als Grundlage für die weiteren Arbeitsschritte und -pakete – Zukunftsszenarien entwickelt (nah bis 2050, fern bis 2100). Sie bilden mögliche bzw. erwartete Entwicklungen aller für die Wasserversorgung relevanter Parameter ab. Hydroklimatische Szenarien werden nach dem Stand der Technik abgeleitet (Starkniederschläge auf der Grundlage von KOSTRA-DWD-2010R, meteorologische Trockenheit nach dem KLIWA-Stresstest). Für Baden-Württemberg liegt ein KLIWA-Ensemble für RCP 8.5 vor, das mit geeigneten Projektionen auf Basis anderer Emissionsszenarien (z.B. RCP 2.6, ReKliEs) ergänzt werden wird. Die Ergebnisse laufender Projekte (z. B. BMBF-Fördermaßnahme “ClimXtreme”) werden bei Bedarf berücksichtigt. In den Landkreisen im Untersuchungsgebiet (TÜ, BB, untergeordnet HOR, CW) ist mit Bevölkerungswachstum, der Ansiedlung weiterer Betriebe und damit einem steigenden Wasserbedarf zu rechnen. Ergebnisse dazu liegen aus dem Masterplan Wasserwirtschaft Baden-Württemberg vor und fließen in die Wasserbedarfsszenarien ein. Geplante Veränderungen der Siedlungs- und Gewerbeflächen werden von den Kommunen und Regionalverbänden abgefragt. Mögliche Veränderungen der landwirtschaftlichen Nutzung (Fruchtfolge- und Düngungsstrategien, Beregnung) werden auf Basis von Versuchsergebnissen zur Bewässerungsbedürftigkeit ackerbaulicher Kulturen, der Erfahrungen der Landwirte und der zuständigen Verbände und Behörden (bspw. im Trockenjahr 2018) beschrieben, und fließen in die Berechnung von Bodenwasser- und Stickstoffhaushalt (AP2, AP3) ein. Ausgehend von den heutigen betrieblichen Rahmenbedingungen der Wasserversorger im Untersuchungsgebiet werden Szenarien möglicher Erweiterungen definiert. Über eine Auswertung historischer Betriebsdaten werden Zusammenhänge zwischen dem Auftreten qualitativer Probleme, den jeweiligen hydrologischen Verhältnissen und dem Betriebszustand identifiziert.

Erwartetes Ergebnis: Szenarien der erwarteten künftigen Entwicklung aller planungsrelevanten Parameter

Leitung: Thomas Gudera, Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg (Referat 42 - Grundwasser)

Sowohl für den Ist-Zustand als auch alle Zukunftsszenarien (AP1) werden räumliche differenzierte Grundwasserneubildungsraten im Untersuchungsgebiet mit dem Boden-wasserhaushaltsmodell GWN-BW der LUBW auf Tagesbasis berechnet. Dazu wird GWN-BW v.a. bezgl. der Modellierung von Agrarflächen (Beschreibung einzelner Kulturarten, Bewässerung) weiterentwickelt. Das Agrarökosystemmodel Expert-N, das dynamisches Pflanzenwachstum und die Ertragsbildung standort- und feldfruchtspezifisch in direkter Kopplung mit dem Bodenwasser- und Nährstoffhaushalt (siehe auch AP3) berechnet, fungiert als Referenz. Expert-N wird dazu anhand von Versuchsdaten, u.a. aus praxisnahen Bewässerungsversuchen, des LTZ kalibriert und regional validiert. In weiteren Expert-N Simulationen wird die Bewässerungsbedürftigkeit für die Zukunftsszenarien quantifiziert. Annahmen der standorttypischen Feldbewirtschaftung werden dafür vom LTZ erstellt, ortsübliche Fruchtfolgen werden anhand der InVeKoS-Daten ermittelt und ggf. mit Satellitendaten überprüft bzw. ergänzt. Über den Modellvergleich werden die Erweiterungen/Verbesserungen des Berechnungsschemas von GWN-BW parametrisiert und getestet.
Um die obere Randbedingung für das Grundwasserhaushaltsmodell (AP4) zu erhalten, muss die Sickerwasserbildung aus der durchwurzelten Bodenzone um den Anteil schneller lateraler Abflusskomponenten reduziert werden. Dieser lässt sich aus landesweit verfügbaren Datengrundlagen nur überschlägig abschätzen und soll daher anhand regionaler Abflussganglinien genauer eingegrenzt und auch auf seine mögliche zeitliche und klimatische Variabilität hin untersucht werden.

Erwartete Ergebnisse:

• GWN-BW Weiterentwicklung für kleinskalige Bodenwasserhaushaltsberechnungen.
• Projektion der GWN für die Zukunftsszenarien.
• Projektion der Bewässerungsbedürftigkeit für die Zukunftsszenarien: feldfruchtspezifische Karten der Beregnungstage und –mengen.

Leitung: Thilo Streck, Universität Hohenheim (Fachgebiet Biogeophysik) und Tobias Weber, Universität Kassel (Fachgebiet Bodenkunde), assoziiert

Mit dem Modell Expert-N werden neben der Sickerwassermenge (AP2) auch die N-Bilanz des Bodens und Nitratausträge aus der Bodenzone räumlich verteilt für die in AP1 entwickelten Szenarien inkl. der möglichen landwirtschaftlichen Managementoptionen (z. B. Fruchtarten bzw. Fruchtfolgen, Bewässerung und Stickstoffdüngung) berechnet. Dafür wird die N-Aufnahme der Pflanze fruchtartspezifisch und der Stickstoffkreislauf im Boden simuliert. Die Parametrisierung für die landwirtschaftlichen Praktiken erfolgt auf Basis des Expertenwissens der örtlichen Beratung, aus landesweit durchgeführten Düngungsversuchen sowie Erhebungen in der Praxis zu Bewirtschaftungsweisen (Düngeberatung) und Düngungsstrategien durch den Projektpartner LTZ (z. B. aus entsprechenden Modell- oder Demo-Netzwerken).

Erwartete Ergebnisse:

• Standortmodell für die räumlich differenzierte (bezgl. Boden und Feldfrucht) Simulation von N-Bilanz und Nitratausträgen
• Projektion der Entwicklung der Nitratausträge für die Zukunftsszenarien

Leitung: Olaf Cirpka, Universität Tübingen (FB Geowissenschaften)

Auf der Grundlage bestehender Grundwasserströmungsmodelle wird ein instationäres Standort-Grundwassermodell in MODFLOW aufgebaut, das für die regelmäßige automatische Anpassung durch Datenassimilation geeignet ist. Das Modell wird die drei genutzten Grundwasserleiter in den Neckarkiesen, der Erfurt-Formation und dem Oberen Muschelkalk abbilden. Die zeitlich und räumlich variierende Neubildungsrate wird als Ergebnis der Bodenwasserhaushaltsmodellierung (AP2) eingelesen; der Stand des Neckars wird intern berechnet. Die Modelle werden zu einem datengetriebenen Wasserhaushaltsmodell (DGWHM) extern gekoppelt. Aufbereitete Daten aus früheren Vorhaben stehen für die Modellkalibrierung zur Verfügung. Die Modellierung des Stoffabbaus im Grundwasser erfolgt auf der Grundlage von Trajektorien (Fließwegen) und Verweilzeiten, die mittels konservativer Transportsimulationen (Particle Tracking) ermittelt werden. Für die Assimilation von Pegeldaten mittels Ensemble-Kalman Smoother ist ein Zyklus von einem Monat vorgesehen.

Erwartete Ergebnisse:

• Datengetriebenes gekoppeltes Bodenwasser- und Grundwasserhaushaltsmodell
• Verweil-/Expositionszeiten-basiertes Modell für den Stofftransport

Leitung: Olaf Cirpka, Universität Tübingen (FB Geowissenschaften)

Mit den entwickelten Modellen (AP2-4) wird für die Zukunftsszenarien (AP1) untersucht, inwieweit mit der vorhandenen Infrastruktur die nachhaltige Wasserversorgung langfristig möglich ist. Für ungünstige Szenarien wird erwartet, dass eine Anpassung der Infrastruktur und der Bewirtschaftung erforderlich wird – für die Wasserversorger (WV) (Entnahmeorte, maximale Fördermengen, Verteilung Eigenwasser-Bezug Bodenseewasserversorgung), die Landwirtschaft (LW) (Anteil von spät abreifenden Kulturen und Kulturen mit über- oder unterdurchschnittlichen Wasserbedarf in der Fruchtfolge, N-Düngung) und Behörden (Erteilung von Wasserrechten). Die Simulationen berücksichtigen auch qualitative Aspekte, insbesondere die Projektion der Nitratfrachten und die Ausdehnung bzw. Verlagerung von Einzugsgebieten in belastete Bereiche. Die Bewertung der Ergebnisse schließt insbesondere auch die Darstellung von Nutzungskonflikten (WV, LW, Gesteinsabbau, Ökosysteme) und eine ökonomische Bewertung (Wasserbereitstellungskosten, Beregnungswürdigkeit, etc.) ein.

Erwartetes Ergebnis: Managementstrategien für die Grundwasserbewirtschaftung: Bewertung der Nutzungskonflikte und ökonomischen Konsequenzen

Leitung: Alexander Kissinger, Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH (kup)

Die in AP2-4 entwickelten Modellwerkzeuge werden gekoppelt und in ein online-Planungstool für das Untersuchungsgebiet integriert. Die Datenassimilation stellt korrekte Anfangsbedingung sicher. Die Nutzer (Wasserversorger, Behörden, landwirtschaftliche Beratung) können über ein Web-Interface die kurzfristigen bis saisonalen Auswirkungen von Grundwasserentnahmen auf Wasserstände und Einzugsgebiete berechnen, wobei die Modelle automatisch “im Hintergrund” laufen. Für vom Nutzer definierte Standard-Bewirtschaftungspläne werden die Entwicklung der Grundwasserstände für die gegebene landwirtschaftliche Nutzung und die Langfristwetterprognose des ECMWF im Ensemble automatisch vorberechnet, die nur abgerufen und visualisiert werden müssen. Für besondere Bewirtschaftungsszenarien wird das Modellinstrumentarium „on demand“ von der Benutzeroberfläche gestartet. Dieses hybride Konzept stellt sicher, dass im Regelfall immer aktuelle Ergebnisse vorliegen und die Beantwortung spezifischer Fragen jederzeit möglich ist. Die Rechenmodelle werden auf einem virtuellen Server (als Cloud-Dienst) installiert, so dass die Nutzer keine Hardwareressourcen für die Simulationen bereitstellen müssen. Die Schnittstellen zwischen Benutzeroberfläche und den Modelldaten und Modellwerkzeugen werden in Kooperation von Modellentwickler (UT/LUBW/UH/GIT) und Tool-Entwickler (KUP) erstellt.

Erwartetes Ergebnis: online-Echtzeit-Planungsinstrument für die Wasserwirtschaft als Entscheidungshilfe für die Bewirtschaftung der GW-Leiter im Muschelkalk und im Neckartal (Quartär/kuE)

Leitung: Ralf Göttsche (Zweckverband Ammertal-Schönbuchgruppe, ASG)

Die Anpassung der Bewirtschaftung an die kurzfristigen (+10 Tage nach DWD-MOSMIX-Daten) und saisonalen Wetterprognosen (bis 7 Monate nach ECMWF-SEAS5) mit Hilfe des online-Planungsinstruments wird über einen Zeitraum von drei Monaten getestet.

Erwartete Ergebnisse:

• Im Praxiseinsatz erprobtes und einsatzbereites online-Planungsinstrument
• Dokumentiertes Best-Practice Beispiel für den Aufbau von online-Planungsinstrumenten an anderen Standorten

Leitung: Olaf Cirpka, Universität Tübingen (FB Geowissenschaften)
Um den Fortschritt der Arbeiten zu begleiten werden ¼-jährliche Treffen durchgeführt. Die assoziierten Partner werden nach Bedarf konsultiert, nehmen an den drei “Steuerungstreffen” und der Abschlussveranstaltung teil. Für die Berichterstattung werden die Arbeitsdokumentationen der Partner zusammengeführt. Die Projektleitung ist für die Kooperation mit den LURCH-Vernetzungs- und Transfervorhaben verantwortlich und organisiert die Workshops etc. Alle Partner beachten die projektrelevanten Arbeiten in anderen Forschungsinitiativen (z. B. “Wassertechnologien: Wiederverwendung”, Wasser-N) und suchen ggf. Kontakt zu den Projektverantwortlichen. Alle praxisrelevanten Ergebnisse werden in Video- und Textformaten für die Verbreitung im Internet, in Workshops etc. dokumentiert. Die wissenschaftlichen Ergebnisse werden in den einschlägigen Zeitschriften veröffentlicht (open access) und auf (inter-)nationalen Fachtagungen präsentiert.

Erwartete Ergebnisse:

• Effizientes Management der Forschungsarbeiten im Verbundprojekt
• Veröffentlichung der Ergebnisse in unterschiedlichen Formaten