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Gewässergütemodell QSim

Was ist QSim?

Das Gewässergütemodell QSim (Quality Simulation) ist ein Instrument zur Simulation und Prognose des Stoffhaushalts und der Planktondynamik von Fließgewässern. Es wird seit 1979 in der BfG entwickelt und angewendet. Ein wesentlicher Zweck des Modells ist es, Auswirkungen wasserbaulicher Maßnahmen auf die Wasserbeschaffenheit von Bundeswasserstraßen zu ermitteln und zu beurteilen.

QSim beschreibt chemische und biologische Vorgänge in Fließgewässern in mathematischer Weise und verknüpft dabei hydraulische und ökologische Modellbausteine. Das Modell berechnet die wichtigsten biologischen Prozesse des Sauerstoff- und Nährstoffhaushaltes, die Algen- und Zooplanktonentwicklung sowie Vorgänge am Gewässerbett. Dazu gehören Filtration durch Muscheln, chemische Austauschvorgänge und Sedimentation. Es eignet sich sowohl zur Berechnung einfacher Flussstränge als auch vernetzter Gewässersysteme mit Fließumkehr (z. B. gezeitenbeeinflusste Gewässer) und kann z. B. buhnenverbaute Strecken und deren Einfluss auf den Stoffhaushalt abbilden. Wichtiges Ergebnis ist die Simulation von Jahresgängen des Sauerstoffgehalts und anderer Wasserbeschaffenheitsparameter sowie biologischer Größen, etwa der Algenbiomasse, entlang eines Flusslaufes.

Grafik der Systembaubausteine von QSimSystembaubausteine von QSim

Modellbeschreibung

QSim dient vor allem dazu, die Auswirkungen wasserbaulicher Maßnahmen auf die Wasserbeschaffenheit zu beurteilen. Es hilft aber auch bei Fragestellungen aus der Wasserwirtschaft und dem Flussgebietsmanagement. QSim ist deterministisch, d.h. es bildet die Prozesse, die auf den Stoffhaushalt eines Gewässers einwirken, funktional in Form von Differenzial- und algebraischen Gleichungen ohne den Einfluss des Zufalls ab. Die eingesetzten Funktionen basieren auf naturwissenschaftlich anerkannten Größen und Zusammenhängen. Sind diese nicht ausreichend genau bekannt, werden empirische Formeln benutzt. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Zustandsgrößen im Gewässerquerschnitt überall gleich sind – eine so genannte eindimensionale Betrachtung. Das Modell setzt sich modular aus einzelnen Bausteinen zusammen. Hydrologische und meteorologische Daten "treiben das Modell an" und werden von den ökologischen Modellbausteinen in die Berechnungen einbezogen. Der Abfluss kann stationär oder instationär mit Hilfe der Saint-Venant Gleichungen berechnet werden. Da die Sonneneinstrahlung viele Prozesse beeinflusst (z.B. Temperatur und Algenwachstum), berücksichtigt das Modell Strahlungswerte bei der Berechnung. QSim verwendet soweit wie möglich Eingabeparameter aus der routinemäßigen chemisch-biologischen Gewässerüberwachung. Es ist daher leicht in der Praxis einzusetzen.

In QSim enthaltene Prozesse und dafür benötigte Eingabegroßen
ProzesseEingabegrößen

Abflusssimulation
Sedimentation
Wärmehaushalt
Unterwasserlichtklima
Kalkkohlensäure-Gleichgewicht
Sauerstoff- und Nährstoffhaushalt
Bakterienwachstum
Nitrifikation
Algenwachstum
Makrophytenwachstum
Zooplanktonwachstum
Wachstum benthischer Filtrierer

Morphologisch/hydrologisch:
Flussgeometrie, Abfluss
Meteorologisch:
Globalstrahlung, Lufttemperatur, Bedeckungsgrad und Wolkentyp, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit
Physikalisch/chemisch:
Wassertemperatur, Sauerstoff, Chemischer Sauerstoffbedarf, Nitrat, Ammonium, o-Phosphat, Silikat, pH-Wert, Alkalinität, Schwebstoff
Biologisch:
Biochemischer Sauerstoffbedarf (kohlenstoffbürtiger Anteil, C-BSB und Nitrifikationssauerstoffbedarf, N-BSB), Flagellaten, planktische Algenbiomasse (Chlorophyll a) und Anteil von Kiesel-, Grün- und Blaualgen; Zooplankton (Flagellatendichte, Rotatoriendichte), benthische Algen, Makrophyten, benthische Filtrierer (Besiedlungsdichte der dominanten Gruppen)

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