TY  - THES
A1  - Kuhnert, Matthias
T1  - Quantifizierung von Oberflächenabfluss und Erosion auf Böden mit hydrophoben Eigenschaften
T1  - Quantification of surface runoff and soil erosion on water repellent soils
N2  - Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung hydrophober Bodeneigenschaften und deren Auswirkungen auf Oberflächenabfluss und Erosion auf verschiedenen Skalen. Die dazu durchgeführten Untersuchungen fanden auf einer Rekultivierungsfläche im Braunkohlegebiet Welzow Süd (Südostdeutschland) statt. Die Prozesse wurden auf drei Skalen untersucht, die von der Plotskala (1m²) über die Hangskala (300m²) bis zur Betrachtung eines kleinen Einzugsgebietes (4ha) reichen. Der Grad der hydrophoben Bodeneigenschaften wurde sowohl direkt, über die Bestimmung des Kontaktwinkel, als auch indirekt, über die Bestimmung der Persistenz, ermittelt. Dabei zeigte sich, dass der Boden im Winterhalbjahr hydrophil reagierte, während er im Sommerhalbjahr hydrophobe Bodeneigenschaften aufwies. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ansteigende Bodenwassergehalte, die in der Literatur häufig als Ursache für einen Wechsel der Bodeneigenschaften angegeben werden, auf dieser Fläche nicht zu einem Umbruch der Bodenbedingungen führen. Stattdessen kam es als Folge des Auftauens von gefrorenem Boden zu hydrophilen Bodeneigenschaften, die zu einem Anstieg des Bodenwassergehalts führten. Räumliche Unterschiede zeigten sich in den geomorphologischen Einheiten. Rinnen und Rillen wiesen seltener hydrophobe Eigenschaften als die Zwischenrillenbereiche und Kuppen auf. Diese räumlichen und zeitlichen Variabilitäten wirkten sich auch auf den Oberflächenabfluss aus, der als Abflussbeiwert (ABW: Quotient aus Abfluss und Niederschlag) untersucht wurde. Der ABW liegt auf Böden mit hydrophoben Bodeneigenschaften (ABW=0,8) deutlich höher als bei jenen mit hydrophilen Eigenschaften(ABW=0,2), wie sie im Winter oder auf anderem Substrat vorzufinden sind (diese Werte beziehen sich auf die Plotskala). Betrachtet man die Auswirkungen auf unterschiedlichen Skalen, nimmt der Abflussbeiwert mit zunehmender Flächengröße ab (ABW = 0,8 auf der Plotskala, ABW = 0,5 auf der Hangskala und ABW = 0,2 im gesamten Gebiet), was in den hydrophil reagierenden Rillen und Rinnen auf der Hangskala und dem hydrophilen Substrat im Einzugsgebiet begründet ist. Zur Messung der Erosion wurden verschiedene, zum Teil neu entwickelte Methoden eingesetzt, um eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung zu erreichen. Bei einer neu entwickelten Methode wird der Sedimentaustrag ereignisbezogen über eine Waage bestimmt. In Kombination mit einer Kippwaage ermöglicht sie die gleichzeitige Messung des Oberflächenabflusses. Die Messapparatur wurde für Gebiete entwickelt, die eine überwiegend grobsandige Textur aufweisen und nur geringe Mengen Ton und Schluff enthalten. Zusätzlich wurden zwei Lasersysteme zur Messung der räumlichen Verteilung der Erosion eingesetzt. Für die erste Methode wurde ein punktuell messender Laser in einer fest installierten Apparatur über die Fläche bewegt und punktuell Höhenunterschiede in einem festen Raster bestimmt. Durch Interpolation konnten Bereiche mit Sedimentabtrag von Akkumulationsbereiche unterschieden werden. Mit dieser Methode können auch größere Flächen vermessen werden (hier 16 m²), allerdings weisen die Messungen in den Übergangsbereichen von Rinne zu Zwischenrille große Fehler auf. Bei der zweiten Methode wird mit einer Messung ein Quadratmeter mit einer hohen räumlichen Auflösung komplett erfasst. Um ein dreidimensionales Bild zu erstellen, müssen insgesamt vier Aufnahmen von jeweils unterschiedlichen Seiten aufgenommen werden. So lassen sich Abtrag und Akkumulation sehr genau bestimmen, allerdings ist die Messung relativ aufwendig und erfasst nur eine kleine Fläche. Zusätzlich wurde der Sedimentaustrag noch auf der Plotskala erfasst. Die Messungen zeigen, korrespondierend zu den Bodeneigenschaften, große Sedimentausträge während des Sommerhalbjahrs und kaum Austräge im Winter. Weiterhin belegen die Ergebnisse eine größere Bedeutung der Rillenerosion gegenüber der Zwischenrillenerosion für Niederschlagsereignisse hoher Intensität (>25 mm/h in einem zehnminütigem Intervall). Im Gegensatz dazu dominierte die Zwischenrillenerosion bei Ereignissen geringerer Intensität (<20 mm/h in einem zehnminütigem Intervall), wobei mindestens 9 mm Niederschlag in einer Intensität von mindesten 3,6 mm/h nötig sind, damit es zur Erosion kommt. Basierend auf den gemessenen Abflüssen und Sedimentausträgen wurden Regressiongleichungen abgeleitet, die eine Berechnung dieser beiden Prozesse für die untersuchte Fläche ermöglichen. Während die Menge an Oberflächenabfluss einen starken Zusammenhang zu der Menge an gefallenem Niederschlag zeigt (r² = 0,9), ist die Berechnung des ausgetragenen Sedimentes eher ungenau (r² = 0,7). Zusammenfassend beschreibt die Arbeit Einflüsse hydrophober Bodeneigenschaften auf verschiedenen Skalen und arbeitet die Auswirkungen, die vor allem auf der kleinen Skala von großer Bedeutung sind, heraus.
N2  - The objective of the thesis is the investigation of water repellent soil conditions and their consequences on surface runoff and erosion by water on different scales. The test site is a lignite mining area situated in Welzow Süd (south east Germany). The processes are to investigate on three different scales, starting with a plot scale (1 m²), then a hill slope scale (300 m²) and, finally, with a small catchment area (4 ha). The level of water repellency was quantified by both direct (contact angle) and indirect measurement (persistence of the soil). The results show seasonal differences with hydrophilic soil conditions during winter and water repellent reactions during summer. For this change in soil conditions, the soil water content is pronounced in literature to be the most important factor. On the test site, the soil water content changed instead as a consequence of the thawing of the soil which affects the hydrophilic conditions of the soil itself. The spatial differences of the soil water content are related to rill and channel areas (hydrophillic) and to knoll areas (water repellent). Both the spatial as well as the temporal variation of the soil conditions affect surface runoff which is investigated as a runoff coefficient (RC: ratio of amount of surface runoff to amount of precipitation). The RC shows higher values on soil with water repellent conditions (RC=0.8) in comparison with the values on hydrophilic soils (RC=0.2). The hydrophilic conditions predominate in areas with different substrates and during the winter. Observations on different scales show a decreasing RC as the size of the area increases (RC = 0.8 on the plot scale, RC = 0.5 on the hill slope scale and RC = 0.2 for the entire catchment area). The reasons for this are the hydrophilic rill in the hill slope area and the hydrophilic substrate in the entire catchment area. The measurement of erosion, based on different methods, some of them just newly developed, quantifies in a good resolution sediment transport spatially as well as temporally. The central part of one of the newly developed approaches is a balance which quantifies an event based sediment output. This approach is coupled with a tipping bucket to measure surface runoff. The system has been developed for coarse textured areas with little amounts of sand and silt. Additionally, two laser systems are used to detect changes in the soil surface over the spatial distribution. The first method contains a laser which measures only a single point and has to be moved in a fixed apparatus above the soil surface in a well defined raster. The areas of sediment abrasion and the detachment areas are restricted by interpolation of the measurement results. This method enables measurements on large areas (16 m² in this project), but tends to result in a high level of errors in the transition zone between rill and interrill. The second laser system covered an area of 1 m² in high resolution. To construct a three-dimensional picture, four different pictures have to be taken from four different directions. This defines the abrasion and detachment areas in a very detailed manner, but the method is very time-consuming and covers only a small area. In addition, measurements on the plots collected the amount of sediment output on a small scale. These results show, corresponding to the water repellent soil conditions, high rates of sediment output during summer, but low rates during winter season. The results show also the dominance of rill erosion in comparison with interrill erosion during high intensity rainfall events (>25 mm/h during one interval of ten minutes). On the contrary, interrill erosion becomes more important during low intensity rainfall events (<20 mm/h during at one interval of ten minutes). At least a 9 mm amount of precipitation with a minimum intensity of 3.6 mm/h is necessary to provoke erosion on this test site. Based on the measurement results regression empirical equations were developed to quantify surface runoff and sediment output. While, surface runoff correlates well with the amount of precipitation (r² = 0,9), sediment output shows little correlation to the amount and intensity of the precipitation (r² = 0,7). In summary, the thesis described effects of water repellent soil conditions on surface runoff and erosion on different scales. The effects on the smaller scales especially are of high interest to hydrological processes.
KW  - Oberflächenabfluss
KW  - Erosion
KW  - Hydrophobie
KW  - Messmethoden
KW  - Hangskala
KW  - surfac runoff
KW  - soil erosion
KW  - hydrophobicity
KW  - measurements
KW  - hill slope scale
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32871
ER  - 
TY  - THES
A1  - Francke, Till
T1  - Measurement and modelling of water and sediment fluxes in meso-scale dryland catchments
T1  - Messung und Modellierung von Wasser- und Sedimentflüssen in mesoskaligen Trockeneinzugsgebieten
N2  - Water shortage is a serious threat for many societies worldwide. In drylands, water management measures like the construction of reservoirs are affected by eroded sediments transported in the rivers. Thus, the capability of assessing water and sediment fluxes at the river basin scale is of vital importance to support management decisions and policy making. This subject was addressed by the DFG-funded SESAM-project (Sediment Export from large Semi-Arid catchments: Measurements and Modelling). As a part of this project, this thesis focuses on (1) the development and implementation of an erosion module for a meso-scale catchment model, (2) the development of upscaling and generalization methods for the parameterization of such model, (3) the execution of measurements to obtain data required for the modelling and (4) the application of the model to different study areas and its evaluation. The research was carried out in two meso-scale dryland catchments in NE-Spain: Ribera Salada (200 km²) and Isábena (450 km²). Adressing objective 1, WASA-SED, a spatially semi-distributed model for water and sediment transport at the meso-scale was developed. The model simulates runoff and erosion processes at the hillslope scale, transport processes of suspended and bedload fluxes in the river reaches, and retention and remobilisation processes of sediments in reservoirs. This thesis introduces the model concept, presents current model applications and discusses its capabilities and limitations. Modelling at larger scales faces the dilemma of describing relevant processes while maintaining a manageable demand for input data and computation time. WASA-SED addresses this challenge by employing an innovative catena-based upscaling approach: the landscape is represented by characteristic toposequences. For deriving these toposequences with regard to multiple attributes (eg. topography, soils, vegetation) the LUMP-algorithm (Landscape Unit Mapping Program) was developed and related to objective 2. It incorporates an algorithm to retrieve representative catenas and their attributes, based on a Digital Elevation Model and supplemental spatial data. These catenas are classified to provide the discretization for the WASA-SED model. For objective 3, water and sediment fluxes were monitored at the catchment outlet of the Isábena and some of its sub-catchments. For sediment yield estimation, the intermittent measurements of suspended sediment concentration (SSC) had to be interpolated. This thesis presents a comparison of traditional sediment rating curves (SRCs), generalized linear models (GLMs) and non-parametric regression using Random Forests (RF) and Quantile Regression Forests (QRF). The observed SSCs are highly variable and range over six orders of magnitude. For these data, traditional SRCs performed poorly, as did GLMs, despite including other relevant process variables (e.g. rainfall intensities, discharge characteristics). RF and QRF proved to be very robust and performed favourably for reproducing sediment dynamics. QRF additionally excels in providing estimates on the accuracy of the predictions. Subsequent analysis showed that most of the sediment was exported during intense storms of late summer. Later floods yielded successively less sediment. Comparing sediment generation to yield at the outlet suggested considerable storage effects within the river channel. Addressing objective 4, the WASA-SED model was parameterized for the two study areas in NE Spain and applied with different foci. For Ribera Salada, the uncalibrated model yielded reasonable results for runoff and sediment. It provided quantitative measures of the change in runoff and sediment yield for different land-uses. Additional land management scenarios were presented and compared to impacts caused by climate change projections. In contrast, the application for the Isábena focussed on exploring the full potential of the model's predictive capabilities. The calibrated model achieved an acceptable performance for the validation period in terms of water and sediment fluxes. The inadequate representation of the lower sub-catchments inflicted considerable reductions on model performance, while results for the headwater catchments showed good agreement despite stark contrasts in sediment yield. In summary, the application of WASA-SED to three catchments proved the model framework to be a practicable multi-scale approach. It successfully links the hillslope to the catchment scale and integrates the three components hillslope, river and reservoir in one model. Thus, it provides a feasible approach for tackling issues of water and sediment yield at the meso-scale. The crucial role of processes like transmission losses and sediment storage in the river has been identified. Further advances can be expected when the representation of connectivity of water and sediment fluxes (intra-hillslope, hillslope-river, intra-river) is refined and input data improves.
N2  - In vielen Regionen der Erde stellt Wassermangel ein Problem für die menschliche Gesellschaft dar. Insbesondere in Trockengebieten werden jedoch Maßnahmen des Wassermanagements, wie die Wasserspeicherung in Stauseen, durch die im Fluss transportierten Sedimentfrachten negativ beeinflusst. Somit stellen eine adäquate Beurteilung von Wasser- und Sedimentflüssen eine wichtige Voraussetzung für Entscheidungen in Wassermanagement und -planung dar. Dieser Problematik widmete sich das SESAM-Projekt (Sediment Export from large Semi-Arid catchments: Measurements and Modelling). Im Rahmen dieses Projektes befasste sich diese Dissertation mit (1) der Entwicklung und Umsetzung eines Erosions-Moduls für ein Einzugsgebietsmodell auf der Meso-Skala, (2) der Entwicklung von Skalierungs- und Generalisierungsmethoden für die Parametrisierung eines solchen Modells, (3) der Durchführung von Messungen, um die notwendigen Daten für das Modell zu gewinnen und (4) die Anwendung des Modells für verschiedene Einzugsgebiete und seiner Bewertung. Die Studie umfasste zwei mesoskalige Trockeneinzugsgebiete in NO-Spanien: Ribera Salada (200 km²) und Isábena (450 km²). Im Hinblick auf Zielstellung 1 wurde WASA-SED, ein räumlich semi-distribuiertes Modell für Wasserflüsse und Sedimenttransport, entwickelt. Das Modell simuliert Abfluss- und Erosionsprozesse auf der Hangskala, den Transport von suspendierten und Geschiebesedimenten auf der Skala von Flussabschnitten sowie Rückhalt- und Remobilisierungsprozesse von Sedimenten in Stauseen. Die vorliegende Arbeit stellt das Modellkonzept und Modellanwendungen vor und beschreibt Fähigkeiten und Grenzen des Modells. Die Modellierung auf größeren Skalen beinhaltet das Dilemma, dass relevante Prozesse beschrieben werden müssen, gleichzeitig aber die Anforderungen an Eingabedaten und Rechenzeit realisierbar bleiben. In WASA-SED wird diesem durch die Anwendung eines innovativen Hangprofil-basierten Skalierungsansatzes Rechnung getragen, indem die Landschaft durch charakteristische Toposequenzen repräsentiert wird. Um derartige Toposequenzen hinsichtlich verschiedener Landschaftseigenschaften (z.B. Relief, Böden, Vegetation) abzuleiten, wurde in Bezug zur Zielstellung 2 der LUMP-Algorithmus (Landscape Unit Mapping Program) entwickelt. LUMP beinhaltet ein Verfahren zur Berechnung repräsentativer Hangprofile und ihrer Attribute aus einem digitalen Geländemodell und optionalen Zusatzdaten. Durch die Klassifikation dieser Hangprofile wird die Grundlage der räumlichen Diskretisierung des WASA-SED Modells bereitgestellt. Im Zusammenhang mit Zielstellung 3 wurden Abfluss und Sedimentkonzentration (SSC) am Auslass und in einigen Teileinzugsgebieten des Isábena-Einzugsgebietes gemessen. Um den Sedimentaustrag zu bestimmen, mussten die Einzelmessung der Sedimentkonzentration interpoliert werden. Diese Arbeit vergleicht die Eignung traditioneller Eichkurvenansätze (SRCs), Generalized Linear Models (GLMs) und der nichtparametrischen Regressionstechniken Random Forests (RF) und Quantile Regression Forests (QRF). Da die beobachteten SSC-Werte stark über sechs Größenordnungen variieren, erwiesen sich die traditionellen SRCs als unzureichend. Gleichfalls versagten GLMs trotz der Einbeziehung weiterer relevanter Prozessgrößen wie Niederschlagsintensitäten und Abflusscharakteristika. RF und QRF stellten sich hingegen als sehr robust und für die Rekonstruktion der Sedimentdynamik geeignet dar. QRF liefert darüber hinaus auch Informationen zur Genauigkeit dieser Schätzungen. Die darauf aufbauende Analyse ergab, dass der Großteil der Sedimentfracht während der Starkregenereignisse des Spätsommers transportiert wurde. Spätere Niederschlagsereignisse erzeugten deutlich geringeren Austrag. Durch den Vergleich von Sedimentfrachten im Oberlauf mit Austragsmengen am Gebietsauslass konnte die Bedeutung der Sedimentspeicherung im Flussbett identifiziert werden. Zielstellung 4 wurde bearbeitet, indem das WASA-SED-Modell für zwei Untersuchungsgebiete in NO-Spanien unter unterschiedlichen Gesichtspunkten angewendet wurde. Für das Ribera-Salada-Einzugsgebiet lieferte das unkalibrierte Modell plausible Ergebnisse hinsichtlich der Wasser- und Sedimentflüsse. Damit war es möglich, die potentiellen Änderungen dieser Größen durch verschiedene Landnutzungsszenarien zu quantifizieren. Diese wurden den prognostizierten Veränderungen, die durch Klimaänderungen hervorgerufen würden, gegenübergestellt. Im Gegensatz dazu konzentrierte sich die Anwendung im Isábena-Einzugsgebiet auf die Untersuchung der bestmöglichen Modellanpassung. Im Validierungszeitraum ergab sich eine befriedigende Modellgüte für Wasser- und Sedimentflüsse. Diese Gesamtgüte wurde maßgeblich durch die unzureichende Abbildung der Unterliegergebiete beeinflusst, wohingegen die Gebiete des Oberlaufs, trotz ihrer stark kontrastierenden Sedimentausträge, gut dargestellt wurden. Die Anwendung des WASA-SED-Modells auf drei verschiedene Untersuchungsgebiete bestätigt die generelle Eignung des Modellkonzepts als einen sinnvollen multiskaligen Ansatz, der in einem Modell effektiv die Hangskala mit der Einzugsgebietsskala sowie den Einfluss von Flüssen und Stauseen vereint. Er stellt somit eine mögliche Grundlage für die Bearbeitung von wasser- und sedimentbezogenen Fragestellungen auf der Meso-Skala dar. Die besondere Bedeutung der Prozesse der Sickerverluste und Sedimentspeicherung im Gerinne konnten herausgearbeitet werden. Mögliche Verbesserungen betreffen die Berücksichtigung der Konnektivität von Wasser- und Sedimentflüssen (auf dem Hang, zwischen Hang und Fluss, innerhalb des Flusses) und die Qualität der Eingangsdaten für das Modell.
KW  - Erosion
KW  - Sediment
KW  - Modellierung
KW  - Spanien
KW  - Brasilien
KW  - erosion
KW  - sediment
KW  - modelling
KW  - Spain
KW  - Brazil
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-31525
ER  -