Wasserhaushalt und Klimawandel
(Model tools: mGROWA, GROWA)
Das deterministische Wasserhaushaltsmodell mGROWA (Herrmann et al., 2015) wurde zur Simulation und Projektion des Wasserhaushalts auf Landes- und Flussgebietsebene in Deutschland und im Mittelmeerraum entwickelt, siehe Ehlers et al., 2015; Herrmann et al., 2016; Herrmann et al., 2021; Wolters et al., 2023; Pisinaras et al., 2023.
Im Kern kombiniert mGROWA die rasterbasierte Simulation des Bodenwasserhaushalts (Evapotranspiration, Sickerwasserbewegung, Abflussbildung etc.) in hoher zeitlicher (Tage) und räumlicher Auflösung (z.B. 100m x 100m) mit einer rasterbasierten flächendifferenzierten Trennung des Abflusses in Direktabflusskomponenten und Grundwasserneubildung auf Basis des im Vorgängermodell, dem empirischen GROWA-Modell (Kunkel und Wendland, 2002), implementierten BFI-Verfahrens.
mGROWA-Modellergebnisse finden ihre praktische Anwendung und Verwertung vor allem in der (grund-)wasserwirtschaftlichen Planung auf Landesebene (Ertl et al., 2019; Herrmann et al., 2015; Herrmann et al., 2021; McNamara et al., 2025), in Modellketten zur Ermittlung der Nährstoffbelastung in großen Flusseinzugsgebieten und anderen Verwaltungseinheiten (z.B., Schmidt et al., 2020; Wendland et al., 2020; Wolters et al., 2021; Tetzlaff et al., 2024), zur Abschätzung des potenziellen Bewässerungsbedarfs in der Landwirtschaft (Herrmann et al., 2016; McNamara et al. 2024) und zur Abschätzung aktueller und zukünftiger Grundwasserdürren (Herrmann et al., 2020).
Wichtige Projekte:
Zeitraum | Förderinstitution | Projekt / Thema |
2024-2026 | Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV) | Weiterentwicklung des Wasser- und Dürremonitors NRW |
2023-2025 | Slovenian Environment Agency (EAS) | Weiterentwicklung des Wasserhaushaltsmodells mGROWA-Slowenien |
2023-2024 | Landesamt für Umwelt des Landes Schleswig-Holstein (LfU) - Geologischer Dienst | Modellierung der Grundwasserneubildung für Schleswig-Holstein für Klimaszenarien bis zum Jahr 2100 |
2022-2023 | Behörde für Umwelt, Klima, Energie und Agrarwirtschaft der Stadt Hamburg (BUKEA) | Modellierung eines naturnahen Wasserhaushalts auf Basis des mGROWA-Modells für das Bundesland Hamburg |
2020-2023 | Umweltbundesamt (UBA) | Auswirkungen des Klimawandels auf die Wasserverfügbarkeit / Anpassung an Trockenheit und Dürre in Deutschland |
2020-2023 | Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV) | Aufbau und Betrieb eines Wasser- und Dürremonitors für das Bundesland NRW |
2021 - 2023 | Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume Schleswig - Holstein (LLUR) | Berechnung des Wasserhaushalts und der Abflusskomponenten für das Bundesland Schleswig-Holstein 1991-2020 |
2020 | Behörde für Umwelt, Klima, Energie und Agrarwirtschaft der Stadt Hamburg (BUKEA) | Modellierung der Grundwasserneubildung im Bundesland Hamburg auf Basis des mGROWA-Modells |
2018-2019 | Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV) | Auswirkungen des Klimawandels auf die Wasserressourcen in NRW bis 2100 |
2015-2019 | Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV) | Landesweite Modellierung des Wasserhaushalts und der Stickstoffeinträge in das Grundwasser und die Oberflächengewässer in Nordrhein-Westfalen |
2015 – 2017 | Slovenian Environment Agency (EAS) | Übertragung und Anpassung des Wasserhaushaltsmodells mGROWA auf Slowenien |
2009 - 2015 | Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) - Förderprgramm "KLIMZUG" | Entwicklung von Anpassungsstrategien zur Abmilderung der Auswirkungen des Klimawandels auf die Grundwasserressourcen in der Metropolregion Hamburg. |
2010 - 2014 | EU 7. Rahmenprogramm | Klimabedingte Veränderungen in der Hydrologie der Mittelmeerbecken (CLIMB) |
2011-2013 | Greek State Scholarship Foundation (IKY) & Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD) | Wasserhaushaltsmodellierung in ausgewählten griechischen und deutschen Einzugsgebieten |
2011 - 2014 | Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV) | Auswirkungen des Klimawandels auf den Grundwasserhaushalt im Bundesland Nordrhein-Westfalen (NRW) |
2010-2013 | Forschungskooperation mit Bezirksregierung Düsseldorf, Bezirksregierung Köln, Erftverband, Geologischer Dienst NRW, LANUV NRW, RWE Power | Vergleich von Grundwasserneubildungsmodellen im niederrheinischen Braunkohlerevier |
2009 - 2013 | Niedersächsisches Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG) | Entwicklung eines Wasserhaushaltsmodells zur Vorhersage der inneren jährlichen Variabilität der Grundwasserneubildung in Niedersachsen |
2008 – 2011 | Slovenian Environment Agency (EAS) | Modellgestützte Quantifizierung der Grundwasserneubildung in Slowenien |
2006-2007 | Landesamt für Umwelt- und Arbeitsschutz Saarland (LUA) | Modellgestützte Quantifizierung der Grundwasserneubildung im Saarland |
2005 – 2008 | The Scientific and Technological Research Council of Turkey (TÜBİTAK) & Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) | Integrierte Modellierung des Wasserhaushalts in türkischen Einzugsgebieten |
2004 – 2006 | Forschungskooperation mit RWE – Power Köln | Grundwasserneubildungsraten für die regionale Grundwassermodellierung im niederrheinischen Braunkohlerevier |
2003-2006 | Forschungskooperation mit Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie in Niedersachsen (LBEG) and Geologischer Dienst Nordrhein-Westfalen (GD NRW) | Harmonisierung der Wasserhaushaltsmodellierungen von Nordrhein - Westfalen und Niedersachsen |
2000 – 2001 | Umweltbehörde Hamburg, BSU
| Langfristig nutzbare Grundwasserneubildung in der Metropolregion Hamburg |
1999-2000 | Forschungskooperation mit Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie in Niedersachsen (LBEG) | Grundwasserneubildung in Niedersachsen |
1996 – 1999 | Federal Ministry for Education and Research (BMBF) - research program "Elbe –Ökologie“ | Wasserhaushalt und Verweilzeiten im Einzugsgebiet der Elbe (deutscher Teil) |
Key publications:
McNamara, I.; Tetzlaff, B.; Wolters, T.; Wendland, F. (2025): Modellierung der flächendifferenzierten Grundwasserneubildung für Schleswig-Holstein im Beobachtungszeitraum 1961-2021 und für Klimaszenarien bis 2100.- Schriften des Forschungszentrums Jülich, Reihe Energie & Umwelt 654, 191 S. ISBN 978-3-95806-803-2.
McNamara, I.; Flörke, M.; Uschan, T.; Baez-Villanueva, O.M.; Herrmann, F. (2024): Estimates of irrigation requirements throughout Germany under varying climatic conditions. Agricultural Water Management, 291. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2023.108641.
Wolters, T.; McNamara, I.; Tetzlaff, B.; Wendland, F. (2023): Germany-Wide High-Resolution Water Balance Modelling to Characterise Runoff Components as Input Pathways for the Analysis of Nutrient Fluxes. Water, 15, 3468. https://doi.org/10.3390/w15193468
Pisinaras, V.; Herrmann, F.; Panagopoulos, A.; Tziritis, E.; McNamara, I.; Wendland, F. (2023): Fully Distributed Water Balance Modelling in Large Agricultural Areas—The Pinios River Basin (Greece) Case Study.- Sustainability, 15, 4343. https://doi.org/10.3390/su15054343
Ertl, G., Herrmann, F. & Elbracht, J. (2022): Bestimmung der Grundwasserneubildungshöhen für Festgesteinsgebiete in Niedersachsen. Grundwasser - Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie 27, 43–56 (2022). https://doi.org/10.1007/s00767-021-00503-0
Engin, G., Adiller, A., Klug, P., Celen, M., Herrmann, F., Bach, H., Wendland, F. (2021): Climate change impact assessment under data scarcity by hydrological and hydrodynamic modeling in Izmit Bay/Turkey.- Environmental Research & Technology, Vol. 4 (1), pp. 1-17, DOI:10.35208/ert.777323.
Herrmann, F., Keuler, K., Wolters, T., Bergmann, S., Eisele, M., Wendland, F. (2021): Mit der Modellkette RCP-GCM-RCM-mGROWA projizierte Grundwasserneubildung als Datenbasis für zukünftiges Grundwassermanagement in Nordrhein-Westfalen.- Grundwasser, 26(3), DOI:10.1007/s00767-020-00471-x.
Pisinaras, V., Panagopoulos, A., Herrmann, F., Bogena, H.R., Doulgeris, C., Ilias, A., Tziritis, E., Wendland, F. (2018): Hydrologic and geochemical research at Pinios Hydrologic Observatory: Initial results. Vadose Zone Journal, 17(1), 1-16.: DOI:10.2136/vzj2018.05.0102.
Arampatzis G., Panagopoulos A., Pisinaras V., Tziritis E., Wendland F. (2018): Identifying potential effects of climate change on the development of water resources in Pinios River Basin, central Greece.- Applied Water Science, 8 (2), 1-17, https://doi.org/10.1007/s13201-018-0690-1.
Herrmann, F., Hübsch, L., Elbracht, J., Engel, N., Keller, L., Kunkel, R., Müller, U., Röhm, H., Vereecken, H., Wendland, F. (2017): Mögliche Auswirkungen von Klimaänderungen auf die Grundwasserneubildung in Niedersachsen.- Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, 61 (4), 244-260, DOI: 10.5675/HyWa_2017,4_3.
Ambe, E. C., Voigt, H.-J., Wendland, F. (2017): Modeling groundwater recharge through rainfall in the Far-North region of Cameroon.- Groundwater for Sustainable Development, 5 (2017) 118–130, DOI:10.1016/j.gsd.2017.06.001.
Herrmann, F., Kunkel, R., Ostermann, U., Vereecken, H. & Wendland, F. (2016): Projected impact of climate change on irrigation needs and groundwater resources in the metropolitan area of Hamburg (Germany).- Environmental Earth Science, 75:1104, DOI:10.1007/s12665-016-5904-y
Herrmann, F., Keller, L., Kunkel, R., Vereecken, H. & Wendland, F. (2015): Determination of spatially differentiated water balance components including groundwater recharge on the Federal State level – A case study using the mGROWA model in North Rhine-Westphalia (Germany).- Journal of Hydrology: Regional Studies, 4(PB), 294-312, DOI:10.1016/j.ejrh.2015.06.018
Herrmann, F., Baghdadi, N., Blaschek, M., Deidda, R., Duttmann, R., La Jeunesse e, I., Sellami, H., Vereecken, H., Wendland, F (2015): Simulation of future groundwater recharge using a climate model ensemble and SAR-image based soil parameter distributions — A case study in an intensively-used Mediterranean catchment.- Science of the Total Environment, 1, 543(Pt B):889-905, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2015.07.036.
Ehlers, L., Herrmann, F., Blaschek, M., Wendland, F. & Duttmann, R. (2015): Sensitivity of mGROWA-simulated groundwater recharge to changes in soil and land use parameters in a Mediterranean environment and conclusions in view of ensemble-based climate impact simulations. Science of the Total Environment, 543, DOI:10.1016/j.scitotenv.2015.04.122
Kreins, P., Henseler, M., Anter, J., Herrmann, F., & Wendland, F. (2015): Quantification of Climate Change Impact on Regional Agricultural Irrigation and Groundwater Demand. Water Resources Management, 29(10), 3585–3600, http://doi.org/10.1007/s11269-015-1017-8
Panagopoulos, A., Arampatzis, G., Kuhr, P., Kunkel, R., Tziritis, E. & Wendland, F. (2015): Area-differentiated modeling of water balance in Pinios Basin, central Greece.- Global Nest Journal, 17(2), 221-235.
Tetzlaff, B., Andjelov, M., Kuhr, P., Uhan, J. u. Wendland, F. (2015): Model-based assessment of groundwater recharge in Slovenia.- Environmental Earth Sciences, 74, 6177–6192, DOI: 10.1007/s12665-015-4639-5.
Panagopoulos, A., Arampatzis, G., Tziritis, E., Pisinaras, V., Herrmann, F., Kunkel, R., Wendland, F. (2014): Assessment of climate change impact in the hydrological regime of River Pinios Basin, central Greece.- Desalination and Water Treatment, 57(5), 2256-2267, DOI:10.1080/19443994.2014.984926.
Herrmann, F., Wendland, F., Hübsch, L., Müller, U. (2014): Auswirkung von möglichen Klimaänderungen auf die Grundwasserneubildung in der Metropolregion Hamburg. energie | wasser-praxis, 6, S. 34f.
Herrmann, F., Chen, S., Heidt, L., Elbracht, J., Engel, N., Kunkel, R., Müller, U., Röhm, H., Vereecken, H. & Wendland, F. (2013): Zeitlich und räumlich hochaufgelöste flächendifferenzierte Simulation des Landschaftswasserhaushalts in Niedersachsen mit dem Model mGROWA. Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, 57(5): 206-224, DOI:10.5675/HyWa_2013,5_2.
Herrmann, F., Jahnke, C., Jenn, F., Kunkel, R., Voigt, H-J., Voigt, J., Wendland, F. (2009): Groundwater recharge rates for regional groundwater modelling: a case study using GROWA in the Lower Rhine lignite mining area, Germany.- Hydrogeology Journal, 17, 8, 2049 – 2060, DOI:10.1007/s10040-009-0493-4.
Montzka, C., Canty, M., Kunkel, R., Menz, G., Vereecken, H., Wendland, F. (2008): Modelling the water balance of a mesoscale catchment basin using remotely sensed land cover data. Journal of Hydrology, 353 (3-4), 322-334, DOI:10.1016/j.jhydrol.2008.02.018.
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Bogena, H., Kunkel, R., Schöbel, T., Schrey, H.P., Wendland, F. (2005): Distributed modeling of groundwater recharge at the macroscale. Ecological Modelling, 187, 15-26, DOI:10.1016/j.ecolmodel.2005.01.023.
Bogena, H., R. Kunkel, C. Montzka & F. Wendland (2005): Uncertainties in the simulation of groundwater recharge at different scales. Advances in Geosciences, 5, 1-6, DOI:10.5194/adgeo-5-25-2005.
Tetzlaff, B., G. Dörhöfer, R. Kunkel & F. Wendland (2003): GIS-gestützte Ermittlung der Grundwasserneubildung in Niedersachsen. Wasser und Boden, 7/8, 53-57.
Wendland, F., Kunkel, R. Tetzlaff, B., Dörhöfer, G. (2003): GIS-based determination of the mean long-term groundwater recharge in Lower Saxony. Environmental Geology, 45, 273-278, DOI:10.1007/s00254-003-0879-x.
Kunkel, R., Wendland, F. (2002): The GROWA98 model for water balance analysis in large river basins - the river Elbe case study. Journal of Hydrology, 259, 152-162, DOI:10.1016/S0022-1694(01)00579-0.
de Wit, M., Meinardi, C., Wendland, F., Kunkel, R. (2000): Modelling water fluxes for the analysis of diffuse pollution at the river basin scale. Hydrological Processes, 14, 1707-1723, DOI:10.1002/1099-1085(200007)14:10<1707::AID-HYP64>3.0.CO;2-E.
Wendland, F. & Kunkel, R. (1999): Der Landschaftswasserhaushalt im Elbeeinzugsgebiet (Deutscher Teil). Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, 43, 226-233.