Hydrophysikalische Talsperrensimulation

Ein Tool zur Bewertung verschiedener Bewirtschaftungsstrategien von Talsperren. Das Tool zeigt eine vereinfachte eindimensionale Simulation bei der sich einige wichtige Bewirtschaftungsparameter ändern und vergleichen lassen. Das Tool ist zu Lehrezwecken sowie zur Kommunikation von Prozessen innerhalb von Talsperren gedacht.

Auswirkung Bewirtschaftung

Für die Wasserqualität ist die thermische Schichtung von besonderer Bedeutung. Sie teilt den Wasserkörper im Sommer quasi in zwei getrennte Bereiche, kaltes Tiefenwasser (Hypolimnion) und warmes Oberflächenwasser (Epilimnion). Das verhindert den Austausch von Nährstoffen und beeinflusst so die Algenentwicklung. Das kalte Tiefenwasser wird bevorzugt als Rohwasser für die Trinkwassergewinnung genutzt. Als Wildbettabgabe wird das Wasser bezeichnet, welches an das Gewässer unterhalb der Staumauer abgegeben wird, dieses wird oft auch aus dem kalten Tiefenwasser entnommen. Deshalb macht es für die Wassergüte einen großen Unterschied ob ein Hochwasser im Frühjahr oder Sommer während der Schichtung in die Talsperre fließt. Das führt z.B. dazu dass bei “traditioneller Bewirtschaftung” in feuchten Sommern das verfügbare Trinkwasser schneller aufgebraucht ist als in trockenen Sommern. Dass lässt sich auch in unserem Modell wiedergeben, vergleichen Sie dazu einfach ein feuchtes Jahr mit einem trockenen Jahr. Weitere wichtige Faktoren für das verfügbare kalte Tiefenwasser sind der anfängliche Wasserspiegel, die gewählte Entnahmestrategie sowie die mittlere Verweildauer, welche durch die Zu- und Abflüsse bestimmt wird.

Modellierung von Talsperren

Computersimulationen sind eine gute Möglichkeit um verschiedene Bewirtschaftungen oder zukünftige klimatische Situationen zu vergleichen. Dazu werden mathematische Modelle verwendet, welche alle wichtigen physikalischen Gesetzmäßigkeiten berechnen. Um diese Modelle anzutreiben werden meteorologische sowie hydrologische Randbedingungen benötigt. Aus diesen können dann je nach verwendetem Modell Größen wie Wassertemperatur, Schichtung, gelöster Sauerstoff und Nährstoffe wie Phosphor sowie Algenentwicklung berechnet werden. Dann können verschiedene Szenarien gerechnet und miteinander verglichen werden.

Hydrophysikalische Modelle

In diesem Tool wird das vertikal eindimensional aufgelöste hydrophysikalische Seenmodell GOTM verwendet. GOTM berechnet die Energiebilanz sowie den Transport und die Turbulenz innerhalb des Wasserkörpers und liefert verschiedene Größen wie Wassertemperatur, Dichte, oder Eisbedeckung als Ausgabe.

Auf den folgenden Seiten können verschiedene meteorologische Rahmenbedingungen sowie Bewirtschaftungsstrategien ausgewählt werden, mit denen das Modell angetrieben werden soll. Anschliesend berechnet das Modell diese in Echtzeit und die Simulationsergebnisse können graphisch ausgewertet werden. Dabei können jeweils zwei verschiedene Szenarien parallel gerechnet und im Anschluss verglichen werden.

Meteorologische Randbedingung

Auf dieser Seite können die meteorologischen sowie hydrologischen Randbedingungen ausgewählt werden. Unter dem Reiter Wähle Meteorologie lassen sich typische Jahre auswählen. Unter Erhöhung der Lufttemperatur lässt sich ein vereinfachtes wärmeres Klima simuleren und unter Skalierung Zu- und Abfluss lassen sich höhere bzw. geringere Zu- und Abflüsse und somit eine längere oder kürzere Verweildauer simulieren.

Szenario 1

Szenario 2

Bewirtschaftungsszenarien

Auf dieser Seite lassen sich verschiedene Bewirtschaftungsstrategien auswählen. Mit dem Regler Verschiebe den Wasserstand (m) kann das Stauvolumen zu Beginn der Simulation variiert werden. Unter Entnahme Strategie lässt sich die Steuerung der Entnahmetiefen für Wildbettabgabe sowie Rohwasserentnahme steuern. Die Abbildungen zeigen den Jahresverlauf der Entnahmetiefen von Wildbettabgabe und Rohwasserentnahme.

Szenario 1

Szenario 2

Ergebnisse der Simulation

Auf dieser Seite werden die Ergebnisse der Simulation dargestellt. Standardmäßig werden die Entwicklung des kalten Tiefenwassers (Hypolimnion) über das Jahr dargestellt. Unter dem Reiter Zeige lassen sich auch die Rohdaten der Simulation visualisieren.

Status der Simulation

Nachdem die Randbedingungen für die Szenarien geändert wurden lässt sich auf dieser Seite die Simulation starten. Im Anschluss können die beiden Situationen unter Ergebnisse visuell verglichen werden. Für eine detailierte Auswertung können die Rohdaten der beiden Modellläufe heruntergeladen werden.

1. Simulation starten

Unter 'Meteorologie' und 'Bewirtschaftung' lassen sich die Rahmenbedingungen ändern.

GOTM starten

2. Download Daten

Download als .csv

Die Bedeutung von Talsperren

Im Oberlauf der weißen Elster finden sich zahlreiche Talsperren. Oft für einen spezifischen Zweck gebaut, wie z.B. die Trinkwassergewinnung, beeinflussen sie große Gebiete unterhalb der aufgestauten Gewässer. So können Talsperren oft über ihren ursprünglichen Zweck hinaus genutzt werden und bei Ereignissen wie Dürre oder Hochwasser helfen, Schäden zu verringern. So kann in Dürrezeiten aufgestautes Wasser helfen, den Flusspegel zu erhöhen. Bei Hochwasser können Talsperren Flutspitzen abschwächen.

Die verschiedenen Nutzungen benötigen jedoch eine unterschiedliche Bewirtschaftung der Talsperre. Am plakativsten zeigt sich das an den oben genannten Beispielen Dürre und Hochwasser. So muss die Talsperre um ein Hochwasser abzuschwächen möglichst leer sein, um den Flusspegel bei einer Dürre möglichst lange aufzustocken, muss sie jedoch möglichst voll sein. Der Wasserstand hat zusätzlich auch noch Auswirkungen auf die Wasserqulaität der Talsperre, welche wichtig für Trinkwassergewinnung und zur Nutzung als Badegewässer ist. Die Bewirtschaftung von Talsperren ist somit also oft eine Gradwanderung die versucht allen Anforderungen gerecht zu werden, dazu ist es nötig Kompromisse einzugehen und Priorisierungen festzulegen. Die Klimaerwärmung verschärft dabei die auftretenden Probleme sowohl bei der Wassermenge, als auch der Wassergüte. Eine gute Möglichkeit, verschiedene Bewirtschaftungsalterbnativen zu vergleichen sind Computersimulationen. Im Rahmen des Projekts KlimaKonform entwickeln wir solche Computeranwendungen und erstellen interaktive Applikationen.

Oberflächennahe Wasserabgabe nach einem Hochwasser

Hydrophysikalische Talsperrensimulation

Ein Tool zur Bewertung verschiedener Bewirtschaftungsstrategien von Talsperren. Das Tool zeigt eine vereinfachte eindimensionale Simulation und ist zu Lehrezwecken sowie zur Kommunikation von Prozessen innerhalb von Talsperren gedacht.

Autoren

Johannes Feldbauer: email

Genutzte Software

• R: A free software environment for statistical computing and graphics
• Shiny by Rstudio: Web application framework
• fullPage: shiny port of fullPage.js
• GOTM - General Ocean Turbulence Model
• FABM - The Framework for Aquatic Biogeochemical Models

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