Hintergrundinformationen
Für den Bodensee wurde das Informationssystem BodenseeOnline zur Vorhersage des hydrodynamischen Verhaltens und der Wasserqualität im Rahmen eines Verbundforschungsprojektes entwickelt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert wurde. Nach dieser Entwicklungsphase wird BodenseeOnline nun von der LUBW betrieben, verbessert und erweitert.
Die Informationen aus BodenseeOnline basieren auf Modellsimulationen, die täglich aktualisiert werden. Die räumliche Auflösung des Modellgitters beträgt derzeit einhundert Meter. Die Modelle basieren auf umfassenden Messdaten und verarbeiten stündliche Prognosedaten des Deutschen Wetterdienstes.
Für das Verständnis der Informationen aus BodenseeOnline ist wichtig zu beachten, dass Simulationsmodelle die realen Verhältnisse am See nur näherungsweise beschreiben können und entsprechend der Güte der Modelle und der verwendeten hydrometeorologischen Antriebsdaten von der Wirklichkeit abweichen. Insbesondere bei den Vorhersagen ist mit einer erhöhten Unsicherheit der Ergebnisse zu rechnen. Bedingt durch die räumliche und zeitliche Auflösung der verwendeten Modelle und Daten können kurzzeitige oder kleinräumige Ereignisse durch die Modelle nicht abgebildet werden. Bedenken Sie dies, wenn Sie die Daten von BodenseeOnline zu persönlichen Entscheidungen wie Segeltörn, Tauchgänge oder Badebesuche verwenden.
Nachfolgend finden Sie Hintergrundinformationen zu BodenseeOnline sowie zu einigen bedeutenden Vorgängen im Bodensee:
Wie funktioniert BodenseeOnline?
Wohin fließt das Flusswasser im See?
Wie funktioniert die Tiefenwassererneuerung?
Wie funktioniert BodenseeOnline?
In BodenseeOnline werden numerische Modelle eingesetzt, mit denen die dreidimensionale Seeströmung berechnet wird. Zusammen mit einem ökologischen Modell werden auch der Nährstoffkreislauf des Sees und biologische Komponenten, wie z.B. Chlorophyll-a, berechnet.
Die Modelle bilden sowohl den saisonalen Verlauf der Schichtung und der Phytoplanktonentwicklung als auch interne ;Schwingungen und windinduzierte Strömungen nach. Anhand der Wettervorhersage werden die Verhältnisse im See über die nächsten 78 h prognostiziert.
Das System BodenseeOnline bietet wichtige Basisinformationen zur Strömung, zu den Windverhältnissen und den Oberflächenwellen.
Die Modelle werden durch aktuelle Messwerte der Hydrologie und der Wetterverhältnisse sowie einem Windmodell zur Berechnung des zweidimensionalen Windfeldes über dem See angetrieben. Die Aussagegenauigkeit der Modelle wurde anhand von mehreren Messkampagnen überprüft und wird weiterhin durch die aktuellen Messwerte aus dem See kontrolliert.
Das Informationssystem besteht aus einer umfassenden Datenbank, in der sowohl historische Daten als auch aktuelle Messinformationen gespeichert werden. Es kommt ein dreidimensionales hydrodynamisches Modell für die Seeströmung in Kombination mit einem Windmodell und ein biogeochemisches Modell, das mit dem hydrodynamischen Modell gekoppelt ist, zur Anwendung. Die Nutzer der IGKB, der AWBR und der Gefahrenabwehr (Feuerwehr, Wasserpolizei, Katastrophenschutz) am Bodensee haben über einen Passwort-geschützten Zugang Zugriff auf alle wichtigen Daten und Modellinterpretationen, die eine detaillierte Einschätzung der jeweiligen Situation ermöglichen.
Im numerischen Modell wird der Bodensee in viele kleine Quader eingeteilt, über die alle betrachteten Größen, wie z.B. Strömungsgeschwindigkeiten und Wassertemperaturen, bilanziert werden. In horizontaler Richtung betragen die Seitenlängen eines Quaders bzw. einer Modellzelle einheitlich 100 m. Daraus ergibt sich ein Netz, das den gesamten Bodensee überspannt. In der folgenden Abbildungen ist ein Auschnitt des östlichen Teils des Bodensees mit dem Modellnetz dargestellt.
In vertikaler Richtung wird das Modellgitter in Schichten eingeteilt. In horizontaler Richtung sind die Mächtigkeit und die Höhenlage der Schichten konstant. In vertikaler Richtung variiert die Schichtmächtigkeit dahingegen. Im Bereich der Wasseroberfläche ist diese vom Wasserstand abhängig. Bei einem Mittelwasserstand von 395,21 m ü. NN beträgt die Mächtigkeit der obersten Schicht 25 cm. Die Mächtigkeit der darunter liegenden Schichten steigt von einer Mächtigkeit von 1 m mit zunehmender Tiefe zunächst auf 2,5 m an. Zwischen 60 m und 110 m Wassertiefe nimmt die Mächtigkeit weiter auf 10 m zu. Die Lage des Modellgitters ändert sich nicht. Die folgende Abbildung veranschaulicht die vertikale Unterteilung.
Was sind interne Wellen?
Interne Wellen können bei thermisch geschichteten Verhältnissen auftreten, also wenn eine wärmere Wasserschicht über dem kalten Tiefenwasser liegt. Wird durch den Wind das Deckschichtwasser in eine Richtung des Sees getrieben, verlagert sich die Grenzfläche zwischen warmem und kaltem Wasser und sie beginnt zu schwingen (siehe Abbildung). Die vertikale Amplitude der Schwingungen beträgt oftmals mehrere Meter. Bei stärkeren Windereignissen kommen Amplituden über mehrere Zehnermeter vor, insbesondere im Herbst, wenn der Dichteunterschied zwischen Deckschicht und Tiefenwasser klein wird. Im abgebildeten Beispiel hat ein Westwind mit bis zu 10 m/s über mehrere Tage das warme Deckschichtwasser in den Ostteil des Sees transportiert, was zu den beobachteten heftigen Schwingungen im Westteil des Sees führte. Die Linien zeigen die gemessenen und die Flächen die berechneten Temperaturen. An dieser Stelle im Überlinger See hat der Wind sogar dazu geführt, dass 4 bis 5°C kaltes Wasser aus einer Tiefe von etwa 30 m bis an die Oberfläche kommt.
Wohin fließt das Flusswasser im See?
Der größte Zustrom des Bodensees, der Alpenrhein, fließt bei Fußach in den Bodensee. Zwischen Dämmen wird er ca. 3 km bis in den See geleitet, damit die Schwebstoffe, die er mit bringt, in das tiefe Hauptbecken des Bodensees und nicht in die Bregenzer Bucht transportiert werden. Der Alpenrhein hat meist eine etwas tiefere Temperatur als das oberflächennahe Seewasser im Epilimnion. Außerdem bringt er insbesondere bei Hochwasser eine größere Menge an Schwebstoffen mit. Da die Dichte von Wasser sowohl von der Temperatur als auch von den Schwebstoffen abhängt, ist das Rheinwasser schwerer als das Wasser der warmen Deckschicht. Aus diesem Grund taucht das Wasser des Alpenrheins direkt nach der Mündung ab. Dieses Phänomen wird als "Rheinbrech" bezeichnet. Es ist meist deutlich sichtbar, da es dort eine scharfe Grenze zwischen See- und Flusswasser gibt und sich das trübere Rheinwasser farblich vom Seewasser unterscheidet.
Bei Hochwasser kann der Rhein bis zu 10 g/l Schwebstoffe mitführen. Das Rheinwasser dringt dann als sogenannte "Underflows" weiter in die Tiefe vor als bei normalen Abflussverhältnissen und erreicht manchmal auch die tiefste Stelle des Bodensees. Durch das Ausfällen der Schwebstoffe und die Vermischung des Wassers mit dem Seewasser ändert sich die Dichte der vorgedrungenen Flusswasserfahne, so dass sie teilweise wieder in höheren Wasserschichten vordringt.
Solche trüben Flusswasserfahnen lassen sich auch an der nahe zur Rheinmündung gelegenen Trinkwasserentnahmestelle bei Nonnenhorn beobachten. Bei Hochwasser im Alpenrhein steigt die Trübung des Rohwassers oftmals wenige Stunden nach dem Beginn des Hochwassers im Alpenrhein an. Die Aufbereitung des Rheinwassers in Lindau ist aber auf diese Ereignisse ausgelegt und kann die Verbraucher auch im Hochwasserfall mit trübstofffreiem Trinkwasser versorgen.
Neben dem Alpenrhein wird der Bodensee zu ca. 40% von weiteren Zuflüssen gespeist, die meist keine Vorstreckung haben. Die Schussen beispielsweise mündet in das Flachwasser am nördlichen Ufer des Bodensees. Das Schussenwasser breitet sich weitgehend in der Flachwasserzone abhängig von der Seeströmung aus. Dies bedeutet, dass stoffliche Belastungen aus dem Flusswasser z.B. durch Regenüberläufe bei Niederschlag in die angrenzenden Uferbereiche kommen können. Nachfolgende Animation verdeutlicht die dynamische uferparallele Ausbreitung des Schussenwassers.
Wie funktioniert die Tiefenwassererneuerung?
Bei der Tiefenwassererneuerung wird frisches, sauerstoffreiches Seewasser bis in die größten Tiefen des Sees gebracht. Dies ist wichtig, damit sich am Seegrund keine sauerstofffreien Verhältnisse einstellen. Sauerstoffdefizite schädigen Organismen, wie z.B. Fischeier am Seegrund, und verändern die Rücklösungsprozesse am Seegrund, was zu einer Beeinträchtigung der Wasserqualität führen kann. Die Sauerstoffzehrung im Tiefenwasser ist eine Folge des biologischen Abbaus von abgestorbenem organischem Material, wie z.B. Algen, welches in die Tiefe absinkt. Die im Tiefenwasser durch die Abbauprozesse freigesetzten Pflanzennährstoffe werden bei der Tiefenwassererneuerung teilweise wieder in die Deckschicht gebracht und dort von den Algen genutzt.
Zur Tiefenwassererneuerung tragen verschiedene Prozesse bei. Der Beitrag von (schwebstoffbeladenem) Flusswasser, welches in die Tiefe vordringt, ist hierbei eher gering. Der wichtigste Vorgang ist die konvektive Durchmischung, welche durch die Auskühlung des Wassers an der Seeoberfläche angetrieben wird. Das ausgekühlte Wasser erreicht nahe 4°C sein Dichtemaximum und kann dann weit in die Tiefe vordringen. Da dieser Prozess von den winterlichen Temperaturen abhängt, findet in relativ warmen Wintern oftmals nur ein schwacher Tiefenwasseraustausch statt. Vor dem Hintergrund der Klimaänderung werden kalte Winter seltener und die Häufigkeit einer guten Tiefenwassererneuerung nimmt ab.
Veröffentlichungen des Projekts BodenseeOnline
Lang, U., Schick, R. & G. Schröder
The Decision Support System BodenseeOnline for Hydrodynamics and Water Quality in Lake Constance.pdf
In: "Decision Support Systems Advances in", Edited by Ger Devlin, InTech (ISBN 978-953-307-069-8), March, 2010, S. 81-98.
Abschlussbericht vom Verbundforschungsvorhaben BodenseeOnline
Ein Informationssystem zur Vorhersage der Hydrodynamik und der Wasserqualität von Seen am Beispiel des Bodensees
November 2008, Bericht: A254-7.
Mehlhorn, H., Kobus, H., Schick, R. & U. Lang:
Naturschatz und Ressource Bodensee - eine wasserwirtschaftliche Herausforderung
Wasserwirtschaft 98 (2008), Heft 10, S. 12-15.
Eder, M., Kobus, H. & R. Helmig
Dreidimensionale Modellierung der Hydrodynamik im Bodensee
Wasserwirtschaft 98 (2008), Heft 10, S. 16-21.
Scheuermann, W., Schmidt, F. & C. Krass
Modellierung des Windfeldes als Antriebskraft für die interne Strömung im Bodensee
Wasserwirtschaft 98 (2008), Heft 10, S. 22-25.
Rinke, K. & K.-O. Rothhaupt
Das ökologische Modell des Bodensees: Konzept, Simulation und Test an Langzeitdaten
Wasserwirtschaft 98 (2008), Heft 10, S. 26-30.
Kempke, S., Schick, R., Rinke, K. & K.-O. Rothhaupt
Biogene Calcitfällung im Bodensee - Prozessverständnis und Modellierung
Wasserwirtschaft 98 (2008), Heft 10, S. 31-33.
Eder, M., Rinke, K., Kempke, S., Huber, A. & T. Wolf
Seeweite Bodensee-Messkampagne 2007 als Test für BodenseeOnline
Wasserwirtschaft 98 (2008), Heft 10, S. 34-38.
Lang, U. & T. Paul
Zustandsbeschreibung und Prognose mit der Daten- und Methodenbank BodenseeOnline
Wasserwirtschaft 98 (2008), Heft 10, S. 39-44.
Lang, U., Kobus, H. & H. Mehlhorn
BodenseeOnline als Entscheidungs-Unterstützungssystem
Wasserwirtschaft 98 (2008), Heft 10, S. 45-48.
Rinke, K., Hübner, I., Petzoldt, T., Rolinski, S., König-Rinke, M., Post, J., Lorke, A. & J. Benndorf (2007):
"How internal waves influence the vertical distribution of zooplankton"
Freshwater Biology, 52, Seite 137-144
Lang, U., Breiting, T., Scheuermann, W., Achenbach, J., Obad, R., Kuhn, G., Felix, M., Rinke, K. & S. Kempke (2006):
"BodenseeOnline - Verbundforschungsvorhaben für ein Informationssystem zur Vorhersage der Hydrodynamik und der Wasserqualittät von Seen am Beispiel des Bodensees"
Wissenschaftlicher Bericht des Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft, FZKA 7250, UIS - Baden-Württemberg, F+E-Vorhaben KEWA (Kooperative Entwicklung wirtschaftlicher Anwendungen für Umwelt und Verkehr in neuen Verwaltungsstrukturen) Phase I - 2005/06, R. Mayer-Föll, A. Keitel, W. Geiger (Hrsg.), Umweltministerium Baden-Württemberg, Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg, Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Angewandte Informatik, Seite 129-140
Kempke, S., Fleig, M., Lang, U., Faißt, M. & R. Schick (2005):
"'Bodensee-Online' ein Informationssystem zur Vorhersage der Hydrodynamik und der Wasserqualität von Seen - Anwendungsbezogene Aspekte aus der Sicht der Wasserversorgung -"
37. Jahresbericht der Arbeitsgemeinschaft Wasserwerke Bodensee-Rhein (AWBR), Seite 107-138
Achenbach, J., Krass, C., Lurk, A., Scheuermann, W., Schmidt, F. (2005):
"BodenseeOnline - Ein Informationssystem zur Vorhersage der Hydrodynamik und der Wasserqualität von Seen am Beispiel des Bodensees"
Workshop Simulation in den Umwelt- und Geowissenschaften, 16. - 18. März 2005 in Dresden
Stand 10.09.2012