Charakterisierung und Analyse der Wasserverfügbarkeit und des Wasserhaushalts von Waldstandorten in Bayern mit dem Simulationsmodell BROOK90:
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München
Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt der Techn. Univ. München und der Bayerischen Landesanst. für Wald und Forstwirtschaft
2001
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185 |
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Titel: Charakterisierung und Analyse der Wasserverfügbarkeit und des Wasserhaushalts von Waldstandorten in
Autor: Hammel, Klaus
Jahr: 2001
Inhalt
Vorwort I
Abbildungsverzeichnis VII
Tabellenverzeichnis IX
1 Einleitung und Problemstellung 1
2 Wasserhaushaltsmodell BROOK90 3
2.1 Grundlagen. 3
2.1.1 Transportgleichung. 3
2.1.1.1 Randbedingungen. 4
2.1.2 Hydraulische Funktionen. 4
2.1.3 Interzeption. 5
2.1.4 Potenzielle Evapotranspiration . 6
a) Potenzielle Evaporation . 6
b) Potenzielle Transpiration. 7
2.1.5 Wurzelwasseraufnahme. 10
2.1.6 Schnee. 11
2.1.7 Lateraler Fluss . 12
2.1.8 Numerik und Diskretisierung. 12
2.1.9 Mischbestände und Vegetationsschichten. 13
2.2 Modifikationen. 13
2.2.1 Parameterisierung der hydraulischen Funktionen. 14
2.2.2 Zeitschrittsteuerung. 15
2.2.3 Wurzelwachstum. 15
2.2.4 Modellvergleich. 17
2.3 Schätzverfahren. 20
2.3.1 Hydraulische Funktionen. 20
2.3.1.1 Pedotransferfunktion nach Texturklassen. 20
2.3.1.2 HYPRES Pedotransferfunktion . 21
2.3.1.3 Vergleich mit gemessenen pF-Kurven. 29
2.3.1.4 Hydraulische Funktionen von Humusauflagen. 29
2.3.2 Blattflächenindex. 31
2.3.3 Bestandeshöhe. 32
2.3.4 Vegetationsperiode. 34
III
3 Simulationsumgebung 35
3.1 Simulationsdatenbank. 35
3.2 Steuerzentrum. 36
3.2.1 Technische Details. 36
4 Wasserhaushalt an den Standorten der Waldklimastationen 39
4.1 Erstellung der Klimareihen. 39
4.2 Standortcharakterisierung . 40
4.3 Parameterisierung. 44
4.4 Simulationen. 46
4.4.1 Diskretisierung und Numerik. 46
4.4.2 Anfangs- und Randbedingungen . 47
4.5 Ergebnisse und Diskussion. 47
4.5.1 Überblick. 47
4.5.1.1 Interzeptionsverdunstung. 50
4.5.1.2 Transpiration. 50
4.5.1.3 Evaporation . 50
4.5.1.4 Oberflächenabfluss. 50
4.5.1.5 Sickerung. 51
4.5.1.6 Transpirationsindex. 52
4.5.2 Fallbeispiele. 54
4.5.2.1 Altdorf. 54
4.5.2.2 Zusmarshausen. 59
4.5.2.3 Freising. 65
4.5.3 Einfluss einer organischen Auflage. 65
4.5.4 Vergleich zwischen geschätzter und gemessener pF-Kurve. 70
4.5.5 Vergleich zwischen Simulation und Messung. 72
4.5.6 Wasserversorgung und Wachstum. 77
5 Wasserversorgung von Waldstandorten im Oberpfälzer Becken 79
5.1 Problemstellung. 79
5.2 Parameterisierung. 80
5.2.1 Klima. 80
5.2.2 Boden. 80
5.2.3 Vegetation. 80
5.2.4 Rand- und Anfangsbedingungen. 81
5.3 Ergebnisse und Diskussion. 81
5.3.1 Numerische Simulationen. 81
5.3.2 Vergleich mit praxisüblicher Ansprache des Wasserhaushalts. 84
6 Zusammenfassung 87
7 Literaturverzeichnis 89
IV
A Anhang 95
A.l Blattflächenindex und Vegetationsperiode. 95
A.2 Bodenhydraulische Parameter . 97
A.3 Bodentypen und Klimastationen. 101
A.4 Wasserhaushaltskenngrößen an den Standorten der Waldklimastationen . 103
A.4.1 Jahresmittelwerte. 103
A.4.2 Verteilung. 121
A.5 Modellstudie Oberpfalzer Becken. 125
A.6 Simulationsumgebung. 127
Abbildungen
2.1 Klimatische Variablen am Standort WKS Würzburg für das Jahr 1999. . . 8
2.2 Klimatische Variablen am Standort WKS Kreuth für das Jahr 1999. 9
2.3 Entwicklung von Wurzellängendichte und Wurzellänge. 16
2.4 Vergleich der mit HYDRUS6.0 und BROOK90 berechneten Wassergehalte in
einem sandigen Boden. 18
2.5 Wie Abbildung 2.4 für den lehmigen Boden. 19
2.6 Einteilung der Körnungsklassen für die PTF nach (Schaap und Leij, 1998). . 21
2.7 Mit Pedotransferfunktion geschätzte pF-Kurve und hydraulische Leitfähig-
keit: Sand, lehmiger Sand, sandiger Lehm. 24
2.8 Mit Pedotransferfunktion geschätzte pF-Kurve und hydraulische Leitfähig-
keit: Lehm, schluffiger Lehm, Schluff. 25
2.9 Mit Pedotransferfunktion geschätzte pF-Kurve und hydraulische Leitfähig-
keit: sandig toniger Lehm, toniger Lehm, schlufSg toniger Lehm. 26
2.10 Mit Pedotransferfunktion geschätzte pF-Kurve und hydraulische Leitfähig-
keit: sandiger Ton, schluffiger Ton, Ton. 27
2.11 Mit HYPRES PTF geschätzte pF-Kurve und hydraulische Leitfähigkeit für
verschiedene Lagerungsdichten und Gehalte an organischer Substanz. 28
2.12 Retentionsfunktion (pF-Kurve) und hydraulische Leitfähigkeit organischer Auf-
lagen von Waldböden in Süddeutschland. 31
2.13 Schätzung des projizierten Blattflächenindex (LAI) aus Spezies, Bonität und
Alter. 33
4.1 Lage der bayerischen Waldklimastationen. 40
4.2 Physikalische Bodeneigenschaften an den WKS Standorten. 42
4.3 Statistik wichtiger Klimavariablen an den Waldklimastationen. 43
4.4 Statistische Kennwerte der potenziellen Evaporation, Transpiration und Eva-
potranspiration an den Waldklimastationen. 48
4.5 Statistische Kennwerte von Niederschlag, Interzeptionsverdunstung, Transpi-
ration, Transpirationsindex, Evaporation, Oberflächenabfluss und Sickerung
an den Waldklimastationen. 49
4.6 Transpirationsindex in den Jahren 1938 - 1999 für alle Standorte der Wald-
klimastationen. 52
4.7 Transpirationsindex für die Pedotransferfunktionen nach Texturklassen, HPY-
RES und Rosetta am Standort WKS Bodenwöhr. 54
4.8 Wasserhaushalt in den Jahren 1955 - 1957 am Standort WKS Altdorf. . 55
4.9 Wasserhaushalt in den Jahren 1958 - 1960 am Standort WKS Altdorf. . 56
4.10 Wasserhaushalt in den Jahren 1961 - 1963 am Standort WKS Altdorf . 57
4.11 Wasserhaushalt in den Jahren 1964 - 1966 am Standort WKS Altdorf . 58
4.12 Wasserhaushalt in den Jahren 1988 - 1990 am Standort WKS Zusmarshausen. 61
4.13 Wasserhaushalt in den Jahren 1991 - 1993 am Standort WKS Zusmarshausen. 62
VII
4.14 Wasserhaushalt in den Jahren 1994 - 1996 am Standort WKS Zusmarshausen. 63
4.15 Wasserhaushalt in den Jahren 1997 - 1999 am Standort WKS Zusmarshausen. 64
4.16 Wasserhaushalt in den Jahren 1988 - 1990 am Standort WKS Freising. . 66
4.17 Wasserhaushalt in den Jahren 1991 - 1993 am Standort WKS Freising. . 67
4.18 Wasserhaushalt in den Jahren 1994 - 1996 am Standort WKS Freising. . 68
4.19 Wasserhaushalt in den Jahren 1997 - 1999 am Standort WKS Freising. . 69
4.20 Wassergehalt (Btv-Horizont) für gemessene und geschätzte pF-Kurve. 71
4.21 Wassergehalt (Sd3 - Horizont) für gemessene und geschätzte pF-Kurve. . 71
4.22 Simulierter (pF - Kurve gemessen) und gemessener Bodenwasservorrat in Frei-
sing. 73
4.23 Simulierter (pF - Kurve geschätzt) und gemessener Bodenwasservorrat in Frei-
sing. 73
4.24 Simulierter (pF - Kurve gemessen) und gemessener Bodenwassergehalt in Frei-
sing. 75
4.25 Simulierter (pF-Kurve geschätzt) und gemessener Bodenwassergehalt in Frei-
sing.'. 76
4.26 Transpirationsindex und Jahrringbreite in Zusmarshausen. 77
5.1 Transpirationsindex als Funktion von Boden und Durchwurzelungstiefe für
die Fichte und das Klima des Oberpfälzer Beckens. 82
5.2 Transpirationsindex als Funktion von Boden und Durchwurzelungstiefe für
die Kiefer und das Klima des Oberpfälzer Beckens. 83
5.3 Nutzbare Wasserkapazität, Transpirationsindex und Wasserhaushaltsstufen. . 85
A.l Tabellen und Beziehungen in der Simulationsdatenbank. 128
A.2 Simulationsdatenbank: Startformular. 129
A.3 Simulationsdatenbank: Formular Boden. 130
A.4 Simulationsdatenbank: Formular Vegetation. 131
A.5 Simulationsdatenbank: Formular Klima. 132
A.6 Steuerzentrum: Hauptfenster. 133
A.7 Steuerzentrum: Batchfenster. 134
A.8 Steuerzentrum: Graphikfenster. 135
Tabellen
2.1 Neue oder modifizierte Variablen und Funktionen. 14
2.2 Hydraulische Parameter und deren Standardabweichung geschätzt aus Tex-
turklassen . 22
2.3 Mualem - van Genuchten Parameter ± deren Standardabweichung für Hu-
musauflagen von Waldböden aus Süddeutschland. 30
4.1 Für die Simulationen verwendete Bestandesparameter Bestandeshöhe und ma-
ximaler Blattflächenindex. 45
4.2 Langjährige Jahresmittel von Evaporation, Transpiration, Transpirationsin-
dex und Sickerung bei Verwendung geschätzter und gemessener pF-Kurven. . 70
5.1 Körnung der Modellböden für das Oberpfälzer Becken. 80
5.2 Lagerungsdichte, Gehalt an organischem Kohlenstoff und Wurzellängendichte
der Modellböden für das Oberpfälzer Becken. 81
A.l Blattmasse - Oberfläche Faktoren nach Daten von Burger (1929-1953) . 95
A.2 Regressionsparameter für die Beziehung zwischen Blattoberfläche und Brust-
höhendurchmesser basierend auf Burger (1929-1953). 95
A.3 Literaturangaben für den projezierten Blattflächenindex verschiedener Baumar-
ten. 95
A.4 Regressionsparameter für das phänologische Modell von Menzel und Fabian
(1999). 96
A.5 Mittlerer Fehler des Wassergehalts der PTF nach Texturklassen, der HYPRES
PTF und der PTF nach Vereecken et ai (1989). 97
A.6 Mualem - van Genuchten Parameter ± deren Standardabweichung für die Bo-
denprofile an den Standorten WKS Freising, WKS Schongau, WKS Würzburg
und WKS Zusmarshausen. 97
A.7 Für die Simulationen der Standorte der Waldklimastationen verwendete hy-
draulische Parameter. 98
A.8 Bodentypen an den Standorten der Waldklimastationen. 101
A.9 Zuordnung zwischen Waldklimastationen und Stationen des deutschen Wet-
terdiensts. 101
A.10 Kenndaten der verwendeten Stationen des deutschen Wetterdiensts. 102
A.ll Wasserbilanz am Standort WKS Altdorf. 103
A.12 Wasserbilanz am Standort WKS Altötting. 104
A.13 Wasserbilanz am Standort WKS Bad Brückenau. 105
A.14 Wasserbilanz am Standort WKS Berchtesgaden. 106
A.15 Wasserbilanz am Standort WKS Bodenwöhr. 106
A.16 Wasserbilanz am Standort WKS Dinkelsbühl. 107
A. 17 Wasserbilanz am Standort WKS Ebersberg. 108
A.18 Wasserbilanz am Standort WKS Ebrach. 109
IX
A. 19 Wasserbilanz am Standort WKS Flossenbürg. 110
A.20 Wasserbilanz am Standort WKS Freising. 111
A.21 Wasserbilanz am Standort WKS Goldkronach. 112
A.22 Wasserbilanz am Standort WKS Kreuth. 113
A.23 Wasserbilanz am Standort WKS Landau. 114
A.24 Wasserbilanz am Standort WKS Mitterfels. 114
A.25 Wasserbilanz am Standort WKS Pegnitz. 115
A.26 Wasserbilanz am Standort WKS Riedenburg. 116
A.27 Wasserbilanz am Standort WKS Rothenkirchen. 117
A.28 Wasserbilanz am Standort WKS Rothenbuch. 117
A.29 Wasserbilanz am Standort WKS Schongau. 118
A.30 Wasserbilanz am Standort WKS Sonthofen. 119
A.31 Wasserbilanz am Standort WKS Würzburg. 120
A.32 Wasserbilanz am Standort WKS Zusmarshausen. 121
A.33 Verteilung des jährlichen Niederschlags an den WKS. 121
A.34 Verteilung der jährlichen Interzeptionsverdunstung an den WKS. 122
A.35 Verteilung der jährlichen Transpiration an den WKS. 122
A.36 Verteilung des jährlichen Transpirationsindex an den WKS. 123
A.37 Verteilung der jährlichen Evaporation an den WKS. 123
A.38 Verteilung des jährlichen Oberflächenabflusses an den WKS. 124
A.39 Verteilung der jährlichen Sickerung an den WKS. 124
A.40 Verteilung des jährlichen Transpirationsindex (Wasserhaushaltsansprache Kie-
fer) im Oberpfälzer Becken. 125
A.41 Verteilung des jährlichen Transpirationsindex (Wasserhaushaltsansprache Fich-
te) im OberpfaJzer Becken. 126 |
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