Das Hydrologic Evaluation of Landfill Performance (HELP) Modell
zur Simulation des Wasserhaushalts von Deponieabdichtungssystemen

Das HELP-Modell

Das "Hydrologic Evaluation of Landfill Performance" (HELP) Modell wurde seit 1982 in den USA unter Federführung von Paul Schroeder und gefördert von Umweltbehörde (EPA) entwickelt. HELP Version 1 erschien 1984, Version 2 1988 und Version 3 1994 (Schroeder et al. 1994a,b). Das HELP-Modell ist ein "quasi-zweidimensionales" Schichtmodell für die Abschätzung des Wasserhaushalts von offenen und geschlossenen Deponien und insbesondere von Abdichtungssystemen. Hauptzweck ist der Vergleich des Wasserhaushalts von alternativen Aufbauten unter dem Klima des jeweiligen Standorts. HELP modelliert mit einem eintägigen Zeitschritt eine Reihe von hydrologischen Prozessen, wobei vertikale und laterale Prozesse gekoppelt werden, ein zweidimensionaler Fluss jedoch nicht berechnet wird (quasi-zweidimensional). Als Eingabedaten benötigt HELP Tageswerte von Niederschlag, Lufttemperatur und Globalstrahlung für 1 bis 100 Kalenderjahre, Parameter für die Verdunstung, Daten zu Boden- und Materialeigenschaften sowie zum Profilaufbau und zum Standort. Einzige vorgesehene Vegetation ist Grasbewuchs; alternativ kann der Boden unbewachsen sein. Der Profilaufbau ist während eines Simulationslaufs konstant (in HELP 3.80 D können Boden- und Vegetationseigenschaften geändert werden).

Für die Version 3 von HELP (Schroeder et al. 1994) wurde eine Validierungsstudie unter deutschen Klimaverhältnissen durchgeführt und das Modell für die Anwendung in Deutschland angepaßt (Berger 1998). In der Validierungsstudie wurden Beschränkungen von HELP und einige z. T. gravierende Fehler herausgestellt, Schlußfolgerungen für den Anwender gezogen sowie Ansätze zur Weiterentwicklung von HELP und weiterer Untersuchungsbedarf aufgezeigt.

In einer die Validierungsstudie begleitenden Arbeitsgruppe der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik wurde die GDA-Empfehlung E 2-30 "Modellierung des Wasserhaushalts der Oberflächenabdichtungssysteme von Deponien" erarbeitet, die insbesondere Empfehlungen zur praktischen Anwendung von HELP in Deutschland gibt. Darüber hinaus hat die Arbeitsgruppe die GDA-Empfehlungen E 2-31 und E 2-32 zur Gestaltung von Rekultivierungsschicht und Vegetation verfasst.

Am 8. September 2000 hat die Arbeitsgruppe zusammen mit dem Institut für Bodenkunde die Tagung "Wasserhaushalt der Oberflächenabdichtungssysteme von Deponien und Altlasten" veranstaltet, um die GDA-Empfehlungen E 2-30, E 2-31 und E 2-32 in der Fachöffentlichkeit zur Diskussion zu stellen. Der Tagungsband ist in den Hamburger Bodenkundlichen Arbeiten erschienen.

Nach Projektende wurden unter anderem auf Basis der Validierungsergebnisse die weiterentwickelten HELP-Versionen 3.50 D, 3.55 D, 3.80 D und 3.90 D erstellt, in der Fehler korrigiert, das Modell weiterentwickelt und die Benutzeroberfläche und die Dokumentationen überarbeitet und ergänzt wurden.

HELP-D

Mit der seit Oktober 2011 verfügbaren aktuellen Version HELP 3.90 D wurde HELP-D vollständig auf Windows umgestellt. HELP 3.90 D enthält folgende wesentliche Weiterentwicklungen gegenüber der Vorgängerversion HELP 3.80 D:

• Die DOS-Benutzeroberfläche wurde durch eine Windows-Benutzeroberfläche ersetzt. Diese ist auch unter den 64-bit-Versionen von Windows lauffähig.
  Das HELP-Modell wurde technisch an die Windows-Oberfläche angepasst (so können insbesondere Dateinamen länger sein als unter DOS), und der Wettergenerator wurde neu übersetzt, damit auch er unter den 64-bit-Versionen von Windows läuft.
  HELP 3.90 D läuft unter Windows XP und Windows 7 (32- und 64-bit-Versionen). Erfahrungen zu Windows Vista liegen nicht vor, ich erwarte jedoch keine Probleme.
• Der Umrechnungsfaktor für die Globalstrahlung von US- in metrische Einheiten wurde präzisiert. Die Verwendung von Globalstrahlungsdaten in metrischer Einheit führt daher bei HELP 3.9 D zu geringfügig anderen Simulationsergebnissen als bei HELP 3.80 D.
• Die bis HELP 3.80 D vereinfachte Berechnung von Schaltjahren wurde an die Regeln des Gregorianischen Kalenders angepasst.
• Die Einleseroutinen für Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) wurden vereinfacht und weiterentwickelt: Das Einlesen aus einer DWD-Datei kann auf einen Bereich von Jahren beschränkt werden. Die Möglichkeit, Tagesmitteltemperaturen aus Tagesmaximum- und Tagesminimumtemperaturen zu berechnen, wurde gestrichen. Für die von der Internetseite des DWD herunterladbaren Klimadaten in den Standardformaten KX, KL, KG und KF steht eine Formatdatei zur Verfügung.
• Ergänzt wurde die Option, Dateien von Visual HELP mit Verdunstungsparametern sowie mit täglichen Wetterdaten einlesen zu können (entwickelt für Visual HELP Version 2.2).
• In der Datenbank mit Verdunstungsparametern für deutsche Standorte wurde der Beginn der Vegetationsperiode für alle Standorte um 14 Tage vorverlegt und dadurch besser an die Realität angepasst.
• Die Datenbanken mit den Eigenschaften von US-amerikanischen Bodenarten und weiteren Materialien sowie für benutzerdefinierte und deutsche Bodenarten wurden zusammengelegt. Die Daten für deutsche Bodenarten entstammen im wesentlichen der 5. Auflage der Bodenkundlichen Kartieranleitung. Die (deutsche) Feldkapazität (bei 60 hPa Wasserspannung) wurde als Kommentar ergänzt, um für diese Bodenarten die nutzbare Feldkapazität, die bei Rekultivierungs- und speziell bei Wasserhaushaltsschichten eine wichtige Rolle spielt, berechnen zu können.

Lieferumfang: HELP 3.90 D wird auf CD mit den folgenden elektronischen Dokumentationen in Deutsch im PDF-Format (lesbar mit dem Adobe Acrobat Reader) ausgeliefert:

• Berger, K. & Schroeder, P.R.; 2011: Das Hydrologic Evaluation of Landfill Performance (HELP) Modell. Benutzerhandbuch für HELP-D (Version 3.9 D). 5., vollständig überarbeitete Auflage, Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg
• Berger, K. 2011: Das Hydrologic Evaluation of Landfill Performance (HELP) Modell. Technische Dokumentation zu HELP 3.90 D - Änderungen gegenüber HELP 3.07 -. Institut für Bodenkunde, Universität Hamburg
• Berger, K., 1998: Das HELP-Modell. Auszug aus: Validierung und Anpassung des Simulationsmodells HELP zur Berechnung des Wasserhaushalts von Deponien für deutsche Verhältnisse. Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg / Umweltbundesamt, Berlin

Die CD enthält zudem die Vorgängerversionen HELP 3.80 D und HELP 3.07 (USA, die nach wie vor aktuelle Originalversion); für HELP 3.07 sind die englische User's Guide und Engineering Documentation im PDF-Format enthalten.

Installationshinweis: Die Benutzeroberfläche von HELP 3.90 D benötigt das Microsoft .NET Framework 4, das, wenn es nicht auf dem PC vorhanden ist, automatisch mit installiert wird. Hierfür ist eine Internet-Verbindung (zum Download des Frameworks) erforderlich!

Bestellung:

HELP 3.90 D kann gegen einen Aufwendungsersatz gemäß der nachfolgenden Tabelle beim Autor, Dr. Klaus Berger, Institut für Bodenkunde, per Post, Fax oder E-Mail bestellt werden:

¹ Versand ohne Umsatzsteuer erfordert die Angabe Ihrer Umsatzsteuer-Identifikationsnummer (UID) mit der Bestellung

Die Preise beinhalten Verpackung und Versand. Rabatte gibt es nicht. Die CD wird in der Regel kurzfristig (innerhalb von 1 - 2 Arbeitstagen) ausgeliefert außer bei Abwesenheit, die bei Anfrage per E-Mail in der Regel durch eine Abwesenheitsnotiz angezeigt wird. Die Rechnung folgt wegen der Rechnungslegung durch die Universitätsverwaltung separat.

Lauffähigkeit von HELP bis 3.80 D unter Windows: Die HELP-D-Versionen bis 3.80 D sind wie die Originalversion 3.0x (USA) DOS-Programme, die jedoch unter Windows benutzt werden müssen, da das Simulationsmodul von HELP-D nicht mehr unter DOS läuft. HELP bis 3.80 D läuft jedoch (wie alle DOS-Programme) nicht mehr unter den 64-Bit-Versionen von Windows 7.

Die HELP-Version HELP 3.80 D enthält folgende wesentliche Weiterentwicklungen gegenüber der Vorgängerversion HELP 3.55 D:

• Vegetations- und Bodeneigenschaften können in einem Simulationslauf geändert werden, um die Alterung eines Deponieprofils nachbilden zu können, z.B. die Sukzession der Vegetation oder die Verschlechterung der Wirksamkeit von Dränschichten durch Ausfällungen oder von mineralischen Dichtschichten durch Austrocknung und Schrumpfrissbildung. Bis zu 10 Sätze mit Vegetations- und/oder Boden- und Aufbaudaten sind in einem Simulationslauf möglich. Die Alterungsprozesse werden jedoch nicht modelliert, und die Schicht(typ)abfolge des Deponieprofils muss konstant bleiben.
• Zur einfacheren Weiterverarbeitung der Simulationsergebnisse in Datenbanken, Tabellenkalkulations- und Graphikprogrammen werden die Tages-, Monats- und Jahresergebnisse tabellarisch in jeweils eigene Ausgabedateien geschrieben. Die Tagesergebnisse erscheinen nicht mehr in der Standardausgabedatei.
• Im Wachstums- und Zersetzungsmodell der Vegetation wurden einige Verbesserungen speziell bei der Zersetzung abgestorbener Vegetation vorgenommen und dadurch die Verdunstungsberechnung verbessert.

In HELP 3.55 D wurden sowohl die Benutzeroberfläche als auch die Simulationsroutinen gegenüber der US-Originalversion HELP 3.07 verbessert und die Dokumentationen vollständig überarbeitet.

Die Benutzeroberfläche von HELP 3.55 D weist gegenüber der US-Originalversion folgende wesentliche Änderungen auf:

• Die Benutzeroberfläche wurde bei weitgehend unverändertem Aussehen neu programmiert, in ihrer Funktionalität ergänzt (z. B. durch eine Zwischenablage und weitere Funktionstasten für die Tabellenverarbeitung) und in der Handhabung verbessert.
• Eingabe der für die Simulation erforderlichen Tagesdaten von Niederschlag, Lufttemperatur und Globalstrahlung:
  • Daten des Deutschen Wetterdienstes, die in den Standardformaten des DWD auf Datenträger (Diskette) vorliegen, können eingelesen und in das von HELP benötigte Format konvertiert werden.
  • Der Wettergenerator zur synthetischen Erzeugung von täglichen Wetterdaten kann auch für einige deutsche Standorte genutzt werden. HELP-D enthält eine kleine Datenbank mit den erforderlichen Koeffizienten.
    Da der Wettergenerator für Deutschland nicht validiert ist, sollte er nur für Lern- und Testzwecke eingesetzt werden!
  • HELP-D enthält eine Datenbank mit Niederschlagsdaten für einige deutsche Standorte (nur für Lern- und Testzwecke!).
• HELP-D enthält eine Datenbank mit Orientierungswerten der Parameter zur Verdunstungsberechnung für einige deutsche Standorte.
• HELP-D enthält eine Datenbank mit Orientierungswerten für deutsche Bodenarten und gibt Hinweise auf begriffliche und klassifikatorische Unterschiede zwischen Deutschland und den USA, die bei der Anwendung von HELP zu beachten sind.
• Benutzerhandbuch und Online-Hilfetexte sind in Deutsch; die Benutzeroberfläche selbst (Vorspanntexte, Menüs, Ergebnis-Ausgaben) ist jedoch unverändert in Englisch.
• Ab HELP 3.50 D können (und sollten) Arbeits- und HELP-Installationsverzeichnis verschieden sein. Diese Versionen laufen nach bisherigen Erfahrungen auch im Netz. Außerdem akzeptieren sie die Tilde (~) in Dateinamen, die Windows ab Windows 95 zur Erzeugung DOS-konformer Dateinamen nutzt.

Die Simulationsroutinen von HELP 3.55 D weisen gegenüber der Vorgängerversion 3.07 folgende Verbesserungen und Weiterentwicklungen auf:

• Der Quelltext HELP3O.FOR der Simulationsroutinen wurde grundlegend softwaretechnisch überarbeitet.
• Im Teilmodell des ungesättigten / gesättigten vertikalen Flusses in Perkolationsschichten wurden zwei Implementierungsfehler behoben.
• Die Entwässerungsgrenze für den ungesättigten vertikalen Fluss in der Verdunstungszone wurde einheitlich auf die US-Feldkapazität gesetzt.
• Ein Verfahrensfehler, der bei bestimmten Aufbauten mit synthetischen Dränmatten direkt auf der obersten Dichtung auftritt und der in HELP 3.50 D nur umschifft und in seinen Konsequenzen weitgehend gemildert werden konnte, tritt in HELP 3.55 D durch die geänderte Entwässerungsgrenze für den ungesättigten vertikalen Fluss nicht mehr auf. Die Umgehung von HELP 3.50 D (geänderte Berechnung der Anzahl der Zeitschritte pro Tag) wurde in HELP 3.55 D daher wieder zurückgenommen.
• Das Teilmodell für gefrorenen Boden wurde mit einem pragmatischen Ansatz weiterentwickelt und dadurch zwei Folgefehler weitgehend behoben.
• Das Teilmodell der realen Verdunstung und das Wachstumsmodell der Vegetation wurden in folgenden Punkten weiterentwickelt:
  • Das Teilmodell für die Interzeption und die Interzeptionsverdunstung wurde durch ein auf v. Hoyningen-Huene (1983) aufbauendes Modell mit Interzeptionsspeicher ersetzt.
  • Im Teilmodell der Bodenevaporation wurden mehrere Fehler korrigiert. Dadurch werden auch Folgefehler in der Berechnung der Transpiration behoben.
  • Die Implementierung des Wachstums- und Zersetzungsmodells der Vegetation wurde anhand der technischen Dokumentation vervollständigt und das Modell in einigen Details verbessert. Außerdem wurde die Beeinträchtigung des Pflanzenwachstums durch Luftmangel aus dem Modell EPIC ergänzt.
• Der unterirdische Zufluss aus dem Grundwasser wurde um nicht sinnvolle bzw. um fehlerhaft berechnete Fälle reduziert.
• Die Tagesausgaben wurden um überflüssige Spalten bereinigt.

HELP-Beratung, Simulationen, Gutachten

Für registrierte Anwender HELP-D biete ich Beratung an.

Außerdem führe ich im Auftrag Simulationen mit HELP durch, biete Beratung bei der Konzeption von Simulationen und Bewertung der Ergebnisse an und erstelle Gutachten zu diesen Themen. Die Abrechnung erfolgt auf Zeitaufwandsbasis.

HELP-Schulung

Im März jeden Jahres biete ich an der Universität Hamburg zwei Arten von HELP-D-Anwenderkursen an:

• HELP-D-Einsteigerkurse, die sich primär an Personen wenden, die die Anwendung des Modells erlernen wollen, z.B. Mitarbeiter von Ingenieurbüros, aber auch von Universitäten, Behörden und andere Interessierte
• HELP-D-Vertieferkurs für Personen mit Vorkenntnissen entsprechend etwa denen des Einsteigerkurses, die ihre Kenntnisse zur Anwendung des HELP-Modells und zu inhaltlichen Fragestellungen des Wasserhaushalts von Oberflächenabdichtungssystemen vertiefen wollen

Auf Anfrage biete ich auch Kurse für MitarbeiterInnen von Genehmigungsbehörden an. Ziel dieser Kurse ist die Vermittlung von Grundlagenwissen, um Wasserhaushaltssimulationen mit dem HELP-Modell, die im Zuge von Planungen oder für Berichte oder Gutachten durchgeführt wurden, verstehen und bewerten zu können. Die Kurse können bei Ihnen im Haus durchgeführt werden. Bei Interesse melden Sie sich bitte bei mir.

Literatur

Zentrale Veröffentlichungen:

• Berger, K., 1998: Validierung und Anpassung des Simulationsmodells HELP zur Berechnung des Wasserhaushalts von Deponien für deutsche Verhältnisse. Umweltbundesamt, Fachgebiet III 3.6 (PT AWAS des BMBF), Berlin, 569 S. (vergriffen)
  Behandelt wird HELP 3.06/3.07 .
  (Auszug (Inhaltsverzeichnis, Einleitung, Zusammenfassung) als PDF-Datei)
• Berger, K., 2002: Anwendung des HELP-Modells für die Simulation des Wasserhaushalts von Oberflächenabdichtungssystemen. In: Handbuch der Altlastensanierung, Kennzahl 5588, 30. Erg.-Lfg., 2. Aufl., August 2002, 57 S.
• Berger, K. & P.R. Schroeder, 2011: Das Hydrologic Evaluation of Landfill Performance (HELP) Modell. HELP 3.90 D. CD, Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg.
  Mit den Dokumentationen (PDF-Dateien):
  • Berger, K. & Schroeder, P.R.; 2011: Das Hydrologic Evaluation of Landfill Performance (HELP) Modell. Benutzerhandbuch für HELP-D (Version 3.9 D). 5., vollständig überarbeitete Auflage, Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg
  • Berger, K. 2011: Das Hydrologic Evaluation of Landfill Performance (HELP) Modell. Technische Dokumentation zu HELP 3.90 D - Änderungen gegenüber HELP 3.07 -. Institut für Bodenkunde, Universität Hamburg
  • Berger, K., 1998: Das HELP-Modell. Auszug (Kap. 5, Literaturverzeichnis) aus: Validierung und Anpassung des Simulationsmodells HELP zur Berechnung des Wasserhaushalts von Deponien für deutsche Verhältnisse. Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg / Umweltbundesamt, Berlin
  zur Bestellung
• GDA-Empfehlung E 2-30, 2003: Modellierung des Wasserhaushalts der Oberflächenabdichtungssysteme von Deponien. Aktuelle Fassung unter GDA online / Empfehlungen. Ältere Fassungen in Bautechnik, 75 (9), S. 616-626, und in Ramke et al. (2000)
• Schroeder, P.R. et al., 1994a,b: The Hydrologic Evaluation of Landfill Performance (HELP) Model. 2 Bd.: User's Guide for Version 3; Engineering Documentation for Version 3; EPA/600/R-94/168a,b; US Environmental Protection Agency, Cincinnati, Ohio (kostenloses Laden von der WES-Internetseite)

Weitere Veröffentlichungen:

• Berger, K., 2000a: Möglichkeiten und Grenzen der Anwendung des HELP-Modells. Müll und Abfall, 32. Jg., H. 2, S. 65-76. Leserbrief N. Markwardt und Erwiderung K. Berger: 32. Jg., H. 11, S. 675-677
  Behandelt wird HELP 3.07 (D).
• Berger, K., 2000b: Wasserhaushalt von Inertstoffdeponien (eingereichter Titel: Wasserhaushaltsbetrachtungen zum Regeloberflächenabdichtungssystem für die TA-Si-Deponieklasse I und ähnliche Systeme). Entsorgungspraxis 7-8/2000, S. 27-31
• Berger, K., 2000c: Neues zur Entwicklung des HELP-Modells und zu Möglichkeiten und Grenzen seiner Anwendung. In: Ramke et al. (Hrsg.): s.u. HBA 47, S. 19-50
  Behandelt HELP 3.50 D
• Berger, K., 2001a: Dimensionierung und Optimierung von Rekultivierungsschichten mit dem HELP-Modell zur Minimierung des Sickerwasseranfalls. Bayerische Abfall- und Deponietage 2001, 16./17.05.2001, KUMAS: Förderverein Kompetenzzentrum Umwelt Augsburg-Schwaben e.V., Augsburg, Referat 14
  (Ergänzte Internetfassung im PDF-Format)
• Berger, K., 2001b: Weiterentwickeltes HELP-Modell 3.50 D zur Simulation des Wasserhaushalts von Deponieabdichtungssystemen verfügbar. Müll und Abfall 33 (8), S. 469-472
• Berger, K., 2004: Anwendungsmöglichkeiten des Wasserhaushaltsmodells HELP. In: Zeitgemäße Deponietechnik 2004, Stuttgarter Berichte zur Abfallwirtschaft, Bd. 81, S. 167-176
  (Internetfassung im PDF-Format)
• Berger, K., 2010: Modellvalidierung - Unentbehrlich, aufwendig, oft vernachlässigt. Rekapitulation einiger Grundlagen am Beispiel Wasserhaushaltsmodelle für Deponieabdichtungssysteme. Müll und Abfall, 42. Jg., H. 5/2010, S. 240-245
• Berger, K. & G. Miehlich, 1996: Wasserhaushaltsbetrachtungen bei Deponieoberflächenabdichtungssystemen auf der Grundlage des HELP-Modells. In: Czurda, K. & K. Stief (Hrsg.): Oberflächenabdichtung oder Oberflächenabdeckung? Regelwerke oder alternative Systeme? Schr. Angewandte Geologie Karlsruhe, 45, Beitrag 15, 28 S.
• Berger, K. & G. Miehlich, 1997: Zur Eignung des HELP-Modells zur Simulation des Wasserhaushalts von Oberflächenabdichtungssystemen für Deponien und Altlasten. Mitteil. Deutsche Bodenkundliche Gesellschaft, 85 (III), S. 1287-1290
• Berger, K. & V. Sokollek, 1997: Sind qualifizierte Abdeckungen von Altdeponien unter den gegebenen klimatischen Voraussetzungen der BRD sinnvoll bzw. möglich? In: Egloffstein, Th. & G. Burkhardt (Hrsg.): Oberflächenabdichtungen von Deponien und Altlasten. Planung - Bau - Kosten. Abfallwirtschaft in Forschung und Praxis, Bd. 103, Erich Schmidt Verlag, Berlin, S. 15-39
• Berger, K., W. Schneider & G. Miehlich, 1999: Validierung des HELP-Modells zur Wasserhaushaltssimulation von Oberflächenabdichtungssystemen. Wasser und Boden, 51 (10), S. 20-25
• Ramke, H.-G., K. Berger & K. Stief (Hrsg.), 2000: Wasserhaushalt der Oberflächenabdichtungssysteme von Deponien und Altlasten. Anwendung des HELP-Modells und Gestaltung der Rekultivierungsschicht. Tagung am 8. September 2000. Hamburger Bodenkundliche Arbeiten, Bd. 47, 302 S.
  Inhaltsverzeichnis als PDF-Datei
  Bericht zur Tagung

Eine umfangreiche Liste mit Verweisen auf Literatur zum HELP-Modell enthält Berger (1998).