Institut für Geoökologie
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A water quality model for shallow river-lake systems and its application in river basin management
(2007)
This work documents the development and application of a new model for simulating mass transport and turnover in rivers and shallow lakes. The simulation tool called 'TRAM' is intended to complement mesoscale eco-hydrological catchment models in studies on river basin management. TRAM aims at describing the water quality of individual water bodies, using problem- and scale-adequate approaches for representing their hydrological and ecological characteristics. The need for such flexible water quality analysis and prediction tools is expected to further increase during the implementation of the European Water Framework Directive (WFD) as well as in the context of climate change research. The developed simulation tool consists of a transport and a reaction module with the latter being highly flexible with respect to the description of turnover processes in the aquatic environment. Therefore, simulation approaches of different complexity can easily be tested and model formulations can be chosen in consideration of the problem at hand, knowledge of process functioning, and data availability. Consequently, TRAM is suitable for both heavily simplified engineering applications as well as scientific ecosystem studies involving a large number of state variables, interactions, and boundary conditions. TRAM can easily be linked to catchment models off-line and it requires the use of external hydrodynamic simulation software. Parametrization of the model and visualization of simulation results are facilitated by the use of geographical information systems as well as specific pre- and post-processors. TRAM has been developed within the research project 'Management Options for the Havel River Basin' funded by the German Ministry of Education and Research. The project focused on the analysis of different options for reducing the nutrient load of surface waters. It was intended to support the implementation of the WFD in the lowland catchment of the Havel River located in North-East Germany. Within the above-mentioned study TRAM was applied with two goals in mind. In a first step, the model was used for identifying the magnitude as well as spatial and temporal patterns of nitrogen retention and sediment phosphorus release in a 100~km stretch of the highly eutrophic Lower Havel River. From the system analysis, strongly simplified conceptual approaches for modeling N-retention and P-remobilization in the studied river-lake system were obtained. In a second step, the impact of reduced external nutrient loading on the nitrogen and phosphorus concentrations of the Havel River was simulated (scenario analysis) taking into account internal retention/release. The boundary conditions for the scenario analysis such as runoff and nutrient emissions from river basins were computed by project partners using the catchment models SWIM and ArcEGMO-Urban. Based on the output of TRAM, the considered options of emission control could finally be evaluated using a site-specific assessment scale which is compatible with the requirements of the WFD. Uncertainties in the model predictions were also examined. According to simulation results, the target of the WFD -- with respect to total phosphorus concentrations in the Lower Havel River -- could be achieved in the medium-term, if the full potential for reducing point and non-point emissions was tapped. Furthermore, model results suggest that internal phosphorus loading will ease off noticeably until 2015 due to a declining pool of sedimentary mobile phosphate. Mass balance calculations revealed that the lakes of the Lower Havel River are an important nitrogen sink. This natural retention effect contributes significantly to the efforts aimed at reducing the river's nitrogen load. If a sustainable improvement of the river system's water quality is to be achieved, enhanced measures to further reduce the immissions of both phosphorus and nitrogen are required.
Die vorliegende Arbeit 'Abflußentwicklung in Teileinzugsgebieten des Rheins - Simulationen für den Ist-Zustand und für Klimaszenarien' untersucht Auswirkungen möglicher zukünftiger Klimaänderungen auf das Abflußgeschehen in ausgewählten, durch Mittelgebirge geprägten Teileinzugsgebieten des Rheins: Mosel (bis Pegel Cochem); Sieg (bis Pegel Menden 1) und Main (bis Pegel Kemmern).In einem ersten Schritt werden unter Verwendung des hydrologischen Modells HBV-D wichtige Modellprozesse entsprechend der Einzugsgebietscharakteristik parametrisiert und ein Abbild der Gebietshydrologie erzeugt, das mit Zeitreihen gemessener Tageswerte (Temperatur, Niederschlag) eine Zeitreihe der Pegeldurchflüsse simulieren kann. Die Güte der Simulation des Ist-Zustandes (Standard-Meßzeitraum 1.1.1961-31.12.1999) ist für die Kalibrierungs- und Validierungszeiträume in allen Untersuchungsgebieten gut bis sehr gut.Zur Erleichterung der umfangreichen, zeitaufwendigen einzugsgebietsbezogenen Datenaufbereitung für das hydrologische Modell HBV-D wurde eine Arbeitsumgebung auf Basis von Programmerweiterungen des Geoinformationssystems ArcView und zusätzlichen Hilfsprogrammen entwickelt. Die Arbeitsumgebung HBV-Params enthält eine graphische Benutzeroberfläche und räumt sowohl erfahrenen Hydrologen als auch hydrologisch geschulten Anwendern, z.B. Studenten der Vertiefungsrichtung Hydrologie, Flexibilität und vollständige Kontrolle bei der Ableitung von Parameterwerten und der Editierung von Parameter- und Steuerdateien ein. Somit ist HBV-D im Gegensatz zu Vorläuferversionen mit rudimentären Arbeitsumgebungen auch außerhalb der Forschung für Lehr- und Übungszwecke einsetzbar.In einem zweiten Schritt werden Gebietsniederschlagssummen, Gebietstemperaturen und simulierte Mittelwerte des Durchflusses (MQ) des Ist-Zustandes mit den Zuständen zweier Klimaszenarien für den Szenarienzeitraum 100 Jahre später (2061-2099) verglichen. Die Klimaszenarien beruhen auf simulierten Zirkulationsmustern je eines Modellaufes zweier Globaler Zirkulationsmodelle (GCM), die mit einem statistischen Regionalisierungsverfahren in Tageswertszenarien (Temperatur, Niederschlag) an Meßstationen in den Untersuchungsgebieten überführt wurden und als Eingangsdaten des hydrologischen Modells verwendet werden.Für die zweite Hälfte des 21. Jahrhunderts weisen beide regionalisierten Klimaszenarien eine Zunahme der Jahresmittel der Gebietstemperatur sowie eine Zunahme der Jahressummen der Gebietsniederschläge auf, die mit einer hohen Variabilität einhergeht. Eine Betrachtung der saisonalen (monatlichen) Änderungsbeträge von Temperatur, Niederschlag und mittlerem Durchfluß zwischen Szenarienzeitraum (2061-2099) und Ist-Zustand ergibt in allen Untersuchungsgebieten eine Temperaturzunahme (höher im Sommer als im Winter) und eine generelle Zunahme der Niederschlagssummen (mit starken Schwankungen zwischen den Einzelmonaten), die bei der hydrologischen Simulation zu deutlich höheren mittleren Durchflüssen von November bis März und leicht erhöhten mittleren Durchflüssen in den restlichen Monaten führen. Die Stärke der Durchflußerhöhung ist nach den individuellen Klimaszenarien unterschiedlich und im Sommer- bzw. Winterhalbjahr gegenläufig ausgeprägt. Hauptursache für die simulierte starke Zunahme der mittleren Durchflüsse im Winterhalbjahr ist die trotz Temperaturerhöhung der Klimaszenarien winterlich niedrige Evapotranspiration, so daß erhöhte Niederschläge direkt in erhöhten Durchfluß transformiert werden können.Der Vergleich der Untersuchungsgebiete zeigt in Einzelmonaten von West nach Ost abnehmende Änderungsbeträge der Niederschlagssummen, die als Hinweis auf die Bedeutung der Kontinentalitätseinflüsse auch unter geänderten klimatischen Bedingungen in Südwestdeutschland aufgefaßt werden könnten.Aus den regionalisierten Klimaszenarien werden Änderungsbeträge für die Modulation gemessener Zeitreihen mittels synthetischer Szenarien abgeleitet, die mit einem geringen Rechenaufwand in hydrologische Modellantworten überführt werden können. Die direkte Ableitung synthetischer Szenarien aus GCM-Ergebniswerten (bodennahe Temperatur und Gesamtniederschlag) an einzelnen GCM-Gitterpunkten erbrachte unbefriedigende Ergebnisse.Ob, in welcher Höhe und zeitlichen Verteilung die in den (synthetischen) Szenarien verwendeten Niederschlags- und Temperaturänderungen eintreten werden, kann nur die Zukunft zeigen. Eine Abschätzung, wie sich die Abflußverhältnisse und insbesondere die mittleren Durchflüsse der Untersuchungsgebiete bei möglichen Änderungen entwickeln würden, kann jedoch heute schon vorgenommen werden. Simulationen auf Szenariogrundlagen sind ein Weg, unbekannte zukünftige Randbedingungen sowie regionale Auswirkungen möglicher Änderungen des Klimasystems ausschnittsweise abzuschätzen und entsprechende Risikominderungsstrategien zu entwickeln. Jegliche Modellierung und Simulation natürlicher Systeme ist jedoch mit beträchtlichen Unsicherheiten verknüpft. Vergleichsweise große Unsicherheiten sind mit der zukünftigen Entwicklung des sozioökonomischen Systems und der Komplexität des Klimasystems verbunden. Weiterhin haben Unsicherheiten der einzelnen Modellbausteine der Modellkette Emissionsszenarien/Gaszyklusmodelle - Globale Zirkulationsmodelle/Regionalisierung - hydrologisches Modell, die eine Kaskade der Unsicherheiten ergeben, neben Datenunsicherheiten bei der Erfassung hydrometeorologischer Meßgrößen einen erheblichen Einfluß auf die Vertrauenswürdigkeit der Simulationsergebnisse, die als ein dargestellter Wert eines Ergebnisbandes zu interpretieren sind.Der Einsatz (1) robuster hydrologischer Modelle, die insbesondere temperaturbeeinflußte Prozesse adäquat beschreiben,(2) die Verwendung langer Zeitreihen (wenigsten 30 Jahre) von Meßwerten und(3) die gleichzeitige vergleichende Betrachtung von Klimaszenarien, die auf unterschiedlichen GCMs beruhen (und wenn möglich, verschiedene Emissionsszenarien berücksichtigen),sollte aus Gründen der wissenschaftlichen Sorgfalt, aber auch der besseren Vergleichbarkeit der Ergebnisse von Regionalstudien im noch jungen Forschungsfeld der Klimafolgenforschung beachtet werden.
Flood polders are part of the flood risk management strategy for many lowland rivers. They are used for the controlled storage of flood water so as to lower peak discharges of large floods. Consequently, the flood hazard in adjacent and downstream river reaches is decreased in the case of flood polder utilisation. Flood polders are usually dry storage reservoirs that are typically characterised by agricultural activities or other land use of low economic and ecological vulnerability. The objective of this thesis is to analyse hydraulic, environmental and economic impacts of the utilisation of flood polders in order to draw conclusions for their management. For this purpose, hydrodynamic and water quality modelling as well as an economic vulnerability assessment are employed in two study areas on the Middle Elbe River in Germany. One study area is an existing flood polder system on the tributary Havel, which was put into operation during the Elbe flood in summer 2002. The second study area is a planned flood polder, which is currently in the early planning stages. Furthermore, numerical models of different spatial dimensionality, ranging from zero- to two-dimensional, are applied in order to evaluate their suitability for hydrodynamic and water quality simulations of flood polders in regard to performance and modelling effort. The thesis concludes with overall recommendations on the management of flood polders, including operational schemes and land use. In view of future changes in flood frequency and further increasing values of private and public assets in flood-prone areas, flood polders may be effective and flexible technical flood protection measures that contribute to a successful flood risk management for large lowland rivers.
Analysis and modelling of nutrient transport and transformation processes on the catchment scale
(2007)
Analysis and modelling of nutrient transport and transformation processes on the catchment scale
(2007)
River reaches protected by dikes exhibit high damage potential due to strong value accumulation in the hinterland areas. While providing an efficient protection against low magnitude flood events, dikes may fail under the load of extreme water levels and long flood durations. Hazard and risk assessments for river reaches protected by dikes have not adequately considered the fluvial inundation processes up to now. Particularly, the processes of dike failures and their influence on the hinterland inundation and flood wave propagation lack comprehensive consideration. This study focuses on the development and application of a new modelling system which allows a comprehensive flood hazard assessment along diked river reaches under consideration of dike failures. The proposed Inundation Hazard Assessment Model (IHAM) represents a hybrid probabilistic-deterministic model. It comprises three models interactively coupled at runtime. These are: (1) 1D unsteady hydrodynamic model of river channel and floodplain flow between dikes, (2) probabilistic dike breach model which determines possible dike breach locations, breach widths and breach outflow discharges, and (3) 2D raster-based diffusion wave storage cell model of the hinterland areas behind the dikes. Due to the unsteady nature of the 1D and 2D coupled models, the dependence between hydraulic load at various locations along the reach is explicitly considered. The probabilistic dike breach model describes dike failures due to three failure mechanisms: overtopping, piping and slope instability caused by the seepage flow through the dike core (micro-instability). The 2D storage cell model driven by the breach outflow boundary conditions computes an extended spectrum of flood intensity indicators such as water depth, flow velocity, impulse, inundation duration and rate of water rise. IHAM is embedded in a Monte Carlo simulation in order to account for the natural variability of the flood generation processes reflected in the form of input hydrographs and for the randomness of dike failures given by breach locations, times and widths. The model was developed and tested on a ca. 91 km heavily diked river reach on the German part of the Elbe River between gauges Torgau and Vockerode. The reach is characterised by low slope and fairly flat extended hinterland areas. The scenario calculations for the developed synthetic input hydrographs for the main river and tributary were carried out for floods with return periods of T = 100, 200, 500, 1000 a. Based on the modelling results, probabilistic dike hazard maps could be generated that indicate the failure probability of each discretised dike section for every scenario magnitude. In the disaggregated display mode, the dike hazard maps indicate the failure probabilities for each considered breach mechanism. Besides the binary inundation patterns that indicate the probability of raster cells being inundated, IHAM generates probabilistic flood hazard maps. These maps display spatial patterns of the considered flood intensity indicators and their associated return periods. Finally, scenarios of polder deployment for the extreme floods with T = 200, 500, 1000 were simulated with IHAM. The developed IHAM simulation system represents a new scientific tool for studying fluvial inundation dynamics under extreme conditions incorporating effects of technical flood protection measures. With its major outputs in form of novel probabilistic inundation and dike hazard maps, the IHAM system has a high practical value for decision support in flood management.
Die Untersuchung widmet sich der aktuellen Bedeutung von Ethnizität im ländlichen Raum der rumänischen Dobrudscha unter dem Einfluss der politischen und ökonomischen Dimension von Globalisierung. Im Mittelpunkt der Betrachtung von Ethnizität stehen die Aspekte von Inklusion und Exklusion sowie Selbst- und Fremdbeschreibung, die dem sozialen Wandel unterliegen. Mit einem Überblick über die Geschichte der räumlich, wirtschaftlich und sozial peripheren Untersuchungsregion Dobrudscha und der ausgewählten Minderheitengruppen wird die Entwicklung der ethnischen Zusammensetzung der Bevölkerung in der Region dargestellt. Als Fallbeispiele werden sechs Minderheitengruppen gewählt: Aromunen, Roma, russische Lipowaner, Tataren, Türken und Ukrainer. Zentrales Element der Studie bilden qualitative Interviews mit professionellen Beobachtern und Akteuren einerseits, die selbst Einfluss auf die soziale Bedeutung von Ethnizität nehmen, und andererseits mit Einwohnern in 15 ausgewählten Untersuchungsorten in der Dobrudscha. Die erhobenen Daten werden mit Blick auf die soziale Rolle von Ethnizität anhand von drei Faktorengruppen ausgewertet: Globalisierung der Ökonomie, Minderheiten- und Kulturpolitik sowie internationale Beziehungen. Auf dieser Grundlage wird die regionale und lokale Bedeutung ethnischer Kategorisierungen analysiert, um die Wahrnehmung und Bewertung ethnischer Zuordnungen im örtlichen Lebensumfeld zu erfassen.