Integrierte Modellierung für Einzugsgebiete mit komplexer Nutzung

Ausgehend von der vielfach geforderten aber kaum umgesetzten integrierten und immissionsbasierten Modellierung wurden die verschiedenen Belastungsquellen in komplex genutzten Einzugsgebieten hinsichtlich ihrer räumlichen sowie zeitlichen Dynamik und der Auswirkungen auf die Gewässerqualität analysiert. Es konnte festgestellt werden, dass eine detaillierte Betrachtung sowohl in der räumlichen Auflösung als auch in der zeitlichen Dynamik für eine immissionsorientierte Betrachtung unabdingbar ist. Es wurde ein Modellsystem entwickelt, das die Trennung von ruralen und urbanen Bereichen in der integrierten immissionsorientierten Modellierung überwindet. Die Abbildung der Basissystemstruktur sowie der ruralen Bereiche erfolgt mittels eines elementarflächenbasierten Niederschlags-Abfluss-Modells, das um ein Modul zur Modellierung räumlich differenzierter und dynamischer Stoffeinträge beliebiger Stoffgruppen aus diffusen Quellen ergänzt wurde. Für jedes urbanisierte Gebiet innerhalb des betrachteten Einzugsgebietes kommt eine Instanz eines urbanhydrologischen Schmutzfrachtsimulationsmodells zum Einsatz. Dies ermöglicht die detaillierte Berücksichtigung der urbanen Entwässerungsstruktur auch bei mehreren Siedlungsgebieten im Einzugsgebiet. Für die Prozesse im Gewässer wurde ein Gewässergütemodell entwickelt, das neben der hydrologischen Modellierung der Translations- und Retentionsprozesse im Gewässer auch beliebige Stoffumwandlungsprozesse abbilden kann. Das entwickelte Modellkonzept wurde auf ein reales Fallbeispiel angewendet. Hierbei zeigte sich, dass die Berücksichtigung aller Eintragspfade aus immissionsorientierter Sicht unabdingbar ist. Sowohl die Vernachlässigung der urbanen Teilsystemstrukturen als auch die vereinfachte Abbildung der ruralen Systemstruktur führen zu maßgeblichen Unterschieden in der Gewässersituation. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass eine realistische Beschreibung der Gewässersituation nur durch eine detaillierte Abbildung der Abfluss- und Stofftransportprozesse in urbanen und ruralen Teilbereichen des Einzugsgebiets erreicht werden kann und das entwickelte Modellkonzept in der Lage ist, diese Anforderung zu erfüllen.

Based on the much-advocated but rarely implemented integrated and immisson based modeling the various sources of pollution in complex watersheds were analyzed in terms of their spatial and temporal dynamics and their effects on water quality. It was found that a detailed assessment is essential for an immission based modeling approach both regarding spatial resolution and temporal dynamics. A model system was developed that overcomes the separation of rural and urban areas in the integrated immission based modeling. The basic system structure and the rural areas are represented by means of an HRU based rainfall-runoff model, which was enhanced by a module for modeling spatially distributed and dynamic substance inputs from diffuse sources. For each urbanized area within the catchment an instance of an urban hydrological pollution load model is used. This allows for a detailed assessment of the urban drainage structure even for multiple settlements in the catchment. For the processes in the river course a water quality model was developed that allows for hydrological modeling and arbitrary substance conversion processes. The model concept was applied to a real case study. It was found that the consideration of all impact pathways is essential for an immission based approach. Both disregarding the urban sub-system structures and a simplified representation of the rural system structure lead to significant differences in the resulting water quality. It can be concluded that a realistic description of the water body status can only be achieved by means of a detailed representation of both flow and mass transport processes in urban and rural parts of the catchment and that the developed modeling framework is able to meet this requirement.