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Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie

Simulation und Vorhersage von Wassertemperaturen an hessischen Fließgewässern

Die in den vergangenen Jahren aufgetretenen hohen sommerlichen Lufttemperaturen führten in Verbindung mit geringen Abflüssen zum Erreichen erhöhter Wassertemperaturen an hessischen Fließgewässern. Erkenntnisse aus Projektionen zum Klimawandel lassen eine weitere Zunahme dieser Entwicklung erwarten. Bei weiteren und längeren Überschreitungen bisheriger Temperaturverhältnisse ist mit Schädigungen in der Biozönose der Fließgewässergemeinschaft zu rechnen. Auf der anderen Seite sind Einschränkungen möglicher Abwärmeeinleitungen von Kraftwerken und industriellen Einleitern bei Erreichen von Grenzwerten absehbar. Bisher galt für die großen hessischen Gewässer wie Rhein und Main eine in der Fischgewässerrichtlinie festgelegte Grenztemperatur von 28°C. Mit Auslaufen der Richtlinie Ende 2013 wurde der Grenzwert durch einen Orientierungswert von 25°C gemäß den Anforderungen an die Europäische Wasserrahmenrichtlinie für die Barbenregion abgelöst. Durch eine Ausweitung des Messnetzes zur Erfassung der Gewässertemperaturen und Erstellung von Wassertemperaturvorhersagemodellen können kritische Situationen frühzeitig erkannt werden.

 

Wasserhaushalts- und Wärmemodell zur Simulation der Wassertemperaturen an Fließgewässern

Für Hessen wurden zur Anwendung in der Hochwasservorhersagezentrale drei flächendeckende Wasserhaushaltsmodelle auf Basis des Modells LARSIM  erstellt: das Lahnmodell, das Modell für die hessischen Main- und Rheinzuflüsse und das Modell für den hessischen Wesergebietsanteil.

Das LARSIM-Wärmemodell stellt eine Erweiterung des Wasserhaushaltsmodells dar  und ermöglicht zusammen mit den simulierten Wasserflüssen auch eine Darstellung der Wassertemperaturen an den simulierten Gewässerstrecken. Das Wärmemodell berücksichtigt, neben punktförmiger anthropogener Wärmeeinleitungen aus Kraftwerken, Industrie und Kläranlagen (WEin), vor allem den Wärmeaustausch mit der Atmosphäre:

Die kurzwellige Strahlungsbilanz (RK) setzt sich aus der Globalstrahlung abzüglich eines an der Wasseroberfläche reflektierten Anteils zusammen. Die langwellige Strahlungsbilanz (RL) beinhaltet die atmosphärische Gegenstrahlung (aus Gasen, Aerosolen und Wolken) und die aus dem Wasserkörper ausgehende Wärmstrahlung. Der Energietransport durch Wasserdampf auf Grundlage von Verdunstung und Kondensation wird als latenter Wärmestrom (HL) bezeichnet. Der fühlbare Wärmestrom (HF) resultiert aus dem direkten Wärmeaustausch an der Grenzschicht Luft-Wasser. Bei kleineren, meist flachen Gewässern wird die Wassertemperatur zunehmend auch durch die Wärmespeicherung in der Gewässersohle und den Austausch mit dem Wasser (HSED) beeinflusst.  

Wasserhaushalts- und Wärmemodell für das hessische Rhein- und Maingebiet

Für Südhessen mit den Zuflüssen zu Rhein und Main lag bereits ein LARSIM-Wasserhaushaltsmodell vor, das von der Hochwasservorhersagezentrale seit Oktober 2010 zur operationellen Abfluss- und Wasserstandsvorhersage eingesetzt wird. Das bestehende Modell wurde um das Wärmemodul erweitert und kann so zur Simulation der Wassertemperaturen verwendet werden.

Der Main selbst ist nicht Bestandteil des Wasserhaushaltsmodells Südhessen. Daher wurde für den hessischen Mainabschnitt von der Landesgrenze Bayern/Hessen bis zur Mündung in den Rhein ein neues Modell aufgestellt. Zur Abbildung des Mains wurde das ca. 77 km lange Gerinne in 50 Simulationsabschnitte  unterteilt. Besonders relevante Modellknoten sind dabei 7 Wassertemperaturmessstellen, 3 Abflusspegel, 6 Wehre, 5 Kläranlagen, 4 Kraftwerke, 6 Industrieeinleiter und Mündungspunkte der wichtigsten Zuflüsse des Mains.

Für den operationellen Betrieb des Wärmemodells stehen die bereits für die Hochwasservorhersage aufbereiteten Daten aus der Datenfernübertragung zur Verfügung : Neben aktuellen Messwerten der Pegel und Temperaturmessstellen werden Niederschlagsdaten  gemeinsam mit weiteren Klimadaten (Lufttemperatur, Globalstrahlung, Relative Feuchte, Windgeschwindigkeit und Luftdruck) in einer zentralen Datenbank gespeichert. 

Kombiniert mit Ergebnissen aus numerischen Vorhersagemodellen des Deutschen Wetterdienstes werden die Wassertemperaturvorhersagen in der Hochwasservorhersagezentrale des HLUG mindestens einmal täglich berechnet. Für rund 15 südhessische Pegel und Messstellen  erfolgt eine visuelle Ausgabe der Berechnungsergebnisse mit einer Vorhersagezeit von bis zu 7 Tagen.

Wärmemodell Mittelrhein

Für den Rheinabschnitt zwischen Worms und Köln (ca. 245 km) wurde im Auftrag des Hessischen Landesamtes für Umwelt und Geologie (HLUG) und des Landesamtes für Umwelt, Wasserwirtschaft und Gewerbeaufsicht Rheinland Pfalz (LUWG) ein LARSIM-Wärmemodell erstellt.

Das Modell berücksichtigt, neben punktförmiger anthropogener Wärmeeinleitungen aus Kraftwerken, Industrie und Kläranlagen, vor allem den Wärmeaustausch mit der Atmosphäre. In die Vorhersagen fließen sowohl Berechnungen aus den bereits bestehenden Wärmemodellen für den Oberrhein (LUBW), Main und Südhessen (HLUG) als auch für die größeren Zuflüsse Simulationsergebnisse mehrerer, an den Rhein angrenzender Wasserhaushaltsmodelle (WHM Lahn, WHM Mosel und WHM Rheinland-Pfalz) ein. Darüber hinaus benötigt das Wärmemodell operationell verfügbare Wassertemperatur- und Pegeldaten an Rhein und Zuflüssen, meteorologische Messwerte sowie meteorologische Vorhersagen des Deutschen Wetterdienstes.

Operationell betrieben wird das Wärmemodell Mittelrhein in Kooperation mit dem HLUG und LUWG in der Hochwasservorhersagezentrale der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW).