TY  - THES
A1  - Schmidt, Lena Katharina
T1  - Altered hydrological and sediment dynamics in high-alpine areas – Exploring the potential of machine-learning for estimating past and future changes
N2  - Climate change fundamentally transforms glaciated high-alpine regions, with well-known cryospheric and hydrological implications, such as accelerating glacier retreat, transiently increased runoff, longer snow-free periods and more frequent and intense summer rainstorms. These changes affect the availability and transport of sediments in high alpine areas by altering the interaction and intensity of different erosion processes and catchment properties.
Gaining insight into the future alterations in suspended sediment transport by high alpine streams is crucial, given its wide-ranging implications, e.g. for flood damage potential, flood hazard in downstream river reaches, hydropower production, riverine ecology and water quality. However, the current understanding of how climate change will impact suspended sediment dynamics in these high alpine regions is limited. For one, this is due to the scarcity of measurement time series that are long enough to e.g. infer trends. On the other hand, it is difficult – if not impossible – to develop process-based models, due to the complexity and multitude of processes involved in high alpine sediment dynamics. Therefore, knowledge has so far been confined to conceptual models (which do not facilitate deriving concrete timings or magnitudes for individual catchments) or qualitative estimates (‘higher export in warmer years’) that may not be able to capture decreases in sediment export. Recently, machine-learning approaches have gained in popularity for modeling sediment dynamics, since their black box nature tailors them to the problem at hand, i.e. relatively well-understood input and output data, linked by very complex processes.
Therefore, the overarching aim of this thesis is to estimate sediment export from the high alpine Ötztal valley in Tyrol, Austria, over decadal timescales in the past and future – i.e. timescales relevant to anthropogenic climate change. This is achieved by informing, extending, evaluating and applying a quantile regression forest (QRF) approach, i.e. a nonparametric, multivariate machine-learning technique based on random forest.
The first study included in this thesis aimed to understand present sediment dynamics, i.e. in the period with available measurements (up to 15 years). To inform the modeling setup for the two subsequent studies, this study identified the most important predictors, areas within the catchments and time periods. To that end, water and sediment yields from three nested gauges in the upper Ötztal, Vent, Sölden and Tumpen (98 to almost 800 km² catchment area, 930 to 3772 m a.s.l.) were analyzed for their distribution in space, their seasonality and spatial differences therein, and the relative importance of short-term events. The findings suggest that the areas situated above 2500 m a.s.l., containing glacier tongues and recently deglaciated areas, play a pivotal role in sediment generation across all sub-catchments. In contrast, precipitation events were relatively unimportant (on average, 21 % of annual sediment yield was associated to precipitation events). Thus, the second and third study focused on the Vent catchment and its sub-catchment above gauge Vernagt (11.4 and 98 km², 1891 to 3772 m a.s.l.), due to their higher share of areas above 2500 m. Additionally, they included discharge, precipitation and air temperature (as well as their antecedent conditions) as predictors.
The second study aimed to estimate sediment export since the 1960s/70s at gauges Vent and Vernagt. This was facilitated by the availability of long records of the predictors, discharge, precipitation and air temperature, and shorter records (four and 15 years) of turbidity-derived sediment concentrations at the two gauges. The third study aimed to estimate future sediment export until 2100, by applying the QRF models developed in the second study to pre-existing precipitation and temperature projections (EURO-CORDEX) and discharge projections (physically-based hydroclimatological and snow model AMUNDSEN) for the three representative concentration pathways RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5.
The combined results of the second and third study show overall increasing sediment export in the past and decreasing export in the future. This suggests that peak sediment is underway or has already passed – unless precipitation changes unfold differently than represented in the projections or changes in the catchment erodibility prevail and override these trends. Despite the overall future decrease, very high sediment export is possible in response to precipitation events. This two-fold development has important implications for managing sediment, flood hazard and riverine ecology.
This thesis shows that QRF can be a very useful tool to model sediment export in high-alpine areas. Several validations in the second study showed good performance of QRF and its superiority to traditional sediment rating curves – especially in periods that contained high sediment export events, which points to its ability to deal with threshold effects. A technical limitation of QRF is the inability to extrapolate beyond the range of values represented in the training data. We assessed the number and severity of such out-of-observation-range (OOOR) days in both studies, which showed that there were few OOOR days in the second study and that uncertainties associated with OOOR days were small before 2070 in the third study. As the pre-processed data and model code have been made publically available, future studies can easily test further approaches or apply QRF to further catchments.
N2  - Der Klimawandel verändert vergletscherte Hochgebirgsregionen grundlegend, mit wohlbekannten Auswirkungen auf Kryosphäre und Hydrologie, wie beschleunigtem Gletscherrückgang, vorübergehend erhöhtem Abfluss, längeren schneefreien Perioden und häufigeren und intensiveren sommerlichen Starkniederschlägen. Diese Veränderungen wirken sich auf die Verfügbarkeit und den Transport von Sedimenten in hochalpinen Gebieten aus, indem sie die Interaktion und Intensität verschiedener Erosionsprozesse und Einzugsgebietseigenschaften verändern.
Eine Abschätzung der zukünftigen Veränderungen des Schwebstofftransports in hochalpinen Bächen ist von entscheidender Bedeutung, da sie weitreichende Auswirkungen haben, z. B. auf das Hochwasserschadenspotenzial, die Hochwassergefahr in den Unterläufen, sowie Wasserkraftproduktion, aquatische Ökosysteme und Wasserqualität. Das derzeitige Verständnis der Auswirkungen des Klimawandels auf die Schwebstoffdynamik in diesen hochalpinen Regionen ist jedoch begrenzt. Dies liegt zum einen daran, dass es kaum ausreichend lange Messzeitreihen gibt, um z.B. Trends ableiten zu können. Zum anderen ist es aufgrund der Komplexität und der Vielzahl der Prozesse, die an der hochalpinen Sedimentdynamik beteiligt sind, schwierig - wenn nicht gar unmöglich - prozessbasierte Modelle zu entwickeln. Daher beschränkte sich das Wissen bisher auf konzeptionelle Modelle (die es nicht ermöglichen, konkrete Zeitpunkte oder Größenordnungen für einzelne Einzugsgebiete abzuleiten) oder qualitative Schätzungen ("höherer Sedimentaustrag in wärmeren Jahren"), die möglicherweise nicht in der Lage sind, Rückgänge im Sedimentaustrag abzubilden. In jüngster Zeit haben Ansätze des maschinellen Lernens für die Modellierung der Sedimentdynamik an Popularität gewonnen, da sie aufgrund ihres Black-Box-Charakters auf das vorliegende Problem zugeschnitten sind, d. h. auf relativ gut verstandene Eingangs- und Ausgangsdaten, die durch sehr komplexe Prozesse verknüpft sind.
Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist daher die Abschätzung des Sedimentaustrags am Beispiel des hochalpinen Ötztals in Tirol, Österreich, auf dekadischen Zeitskalen in der Vergangenheit und Zukunft – also Zeitskalen, die für den anthropogenen Klimawandel relevant sind. Dazu wird ein Quantile Regression Forest (QRF)-Ansatz, d.h. ein nichtparametrisches, multivariates maschinelles Lernverfahren auf der Basis von Random Forest, erweitert, evaluiert und angewendet.
Die erste Studie im Rahmen dieser Arbeit zielte darauf ab, die "gegenwärtige" Sedimentdynamik zu verstehen, d. h. in dem Zeitraum, für den Messungen vorliegen (bis zu 15 Jahre). Um die Modellierung für die beiden folgenden Studien zu ermöglichen, wurden in dieser Studie die wichtigsten Prädiktoren, Teilgebiete des Untersuchungsgebiets und Zeiträume ermittelt. Zu diesem Zweck wurden die Wasser- und Sedimenterträge von drei verschachtelten Pegeln im oberen Ötztal, Vent, Sölden und Tumpen (98 bis fast 800 km² Einzugsgebiet, 930 bis 3772 m ü.d.M.), auf ihre räumliche Verteilung, ihre Saisonalität und deren räumlichen Unterschiede, sowie die relative Bedeutung von Niederschlagsereignissen hin untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Gebiete oberhalb
von 2500 m ü. M., in denen sich Gletscherzungen und kürzlich entgletscherte Gebiete befinden, eine zentrale Rolle in der Sedimentdynamik in allen Teileinzugsgebieten spielen. Im Gegensatz dazu waren Niederschlagsereignisse relativ unbedeutend (im Durchschnitt wurden 21 % des jährlichen Austrags mit Niederschlagsereignissen in Verbindung gebracht). Daher konzentrierten sich die zweite und dritte Studie auf das Vent-Einzugsgebiet und sein Teileinzugsgebiet oberhalb des Pegels Vernagt (11,4 und 98 km², 1891 bis 3772 m ü. M.), da sie einen höheren Anteil an Gebieten oberhalb von 2500 m aufweisen. Außerdem wurden Abfluss, Niederschlag und Lufttemperatur (sowie deren Vorbedingungen) als Prädiktoren einbezogen.
Die zweite Studie zielte darauf ab, den Sedimentexport seit den 1960er/70er Jahren an den Pegeln Vent und Vernagt abzuschätzen. Dies wurde durch die Verfügbarkeit langer Aufzeichnungen der Prädiktoren Abfluss, Niederschlag und Lufttemperatur sowie kürzerer Aufzeichnungen (vier und 15 Jahre) von aus Trübungsmessungen abgeleiteten Sedimentkonzentrationen an den beiden Pegeln ermöglicht. Die dritte Studie zielte darauf ab, den zukünftigen Sedimentexport bis zum Jahr 2100 abzuschätzen, indem die in der zweiten Studie entwickelten QRF-Modelle auf bereits existierende Niederschlags- und Temperaturprojektionen (EURO-CORDEX) und Abflussprojektionen (des physikalisch basierten hydroklimatologischen und Schneemodells AMUNDSEN) in den drei repräsentativen Konzentrationspfaden RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 angewendet wurden.
Die kombinierten Ergebnisse der zweiten und dritten Studie legen nahe, dass der Sedimentexport in der Vergangenheit insgesamt zugenommen hat und in der Zukunft abnehmen wird. Dies deutet darauf hin, dass der Höhepunkt des Sedimenteintrags erreicht ist oder bereits überschritten wurde - es sei denn, die Niederschlagsveränderungen entwickeln sich anders, als es in den Projektionen dargestellt ist, oder Veränderungen in der Erodierbarkeit des Einzugsgebiets setzen sich durch. Trotz des allgemeinen Rückgangs in der Zukunft sind sehr hohe Sedimentausträge als Reaktion auf Niederschlagsereignisse möglich. Diese zweifältige Entwicklung hat wichtige Auswirkungen auf das Sedimentmanagement, die Hochwassergefahr und die Flussökologie.
Diese Arbeit zeigt, dass QRF ein sehr nützliches Instrument zur Modellierung des Sedimentexports in hochalpinen Gebieten sein kann. Mehrere Validierungen in der zweiten Studie zeigten eine gute Modell-Performance und die Überlegenheit gegenüber traditionellen Sediment-Abfluss-Beziehungen – insbesondere in Zeiträumen, in denen es zu einem hohen Sedimentexport kam, was auf die Fähigkeit von QRF hinweist, mit Schwelleneffekten umzugehen. Eine technische Einschränkung von QRF ist die Unfähigkeit, über den Bereich der in den Trainingsdaten dargestellten Werte hinaus zu extrapolieren. Die Anzahl und den Schweregrad an solchen Tagen, in denen der Wertebereich der Trainingsdaten überschritten wurde, wurde in beiden Studien untersucht. Dabei zeigte sich, dass es in der zweiten Studie nur wenige solcher Tage gab und dass die mit den Überschreitungen verbundenen Unsicherheiten in der dritten Studie vor 2070 gering waren. Da die vorverarbeiteten Daten und der Modellcode öffentlich zugänglich gemacht wurden, können künftige Studien darauf aufbauend weitere Ansätze testen oder QRF auf weitere Einzugsgebiete anwenden.
KW  - suspended sediment
KW  - glacier melt
KW  - climate change
KW  - natural hazards
KW  - hydrology
KW  - geomorphology
KW  - Klimawandel
KW  - Geomorphologie
KW  - Gletscherschmelze
KW  - Hydrologie
KW  - Naturgefahren
KW  - suspendiertes Sediment
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-623302
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stolle, Amelie
T1  - Catastrophic Sediment Pulses in the Pokhara Valley, Nepal
T1  - Katastrophale Sediment Ablagerungen im Pokhara Tal, Nepal
N2  - Fluvial terraces, floodplains, and alluvial fans are the main landforms to store sediments and to decouple hillslopes from eroding mountain rivers. Such low-relief landforms are also preferred locations for humans to settle in otherwise steep and poorly accessible terrain. Abundant water and sediment as essential sources for buildings and infrastructure make these areas amenable places to live at. Yet valley floors are also prone to rare and catastrophic sedimentation that can overload river systems by abruptly increasing the volume of sediment supply, thus causing massive floodplain aggradation, lateral channel instability, and increased flooding. Some valley-fill sediments should thus record these catastrophic sediment pulses, allowing insights into their timing, magnitude, and consequences.
This thesis pursues this theme and focuses on a prominent ~150 km2 valley fill in the Pokhara Valley just south of the Annapurna Massif in central Nepal. The Pokhara Valley is conspicuously broad and gentle compared to the surrounding dissected mountain terrain,
and is filled with locally more than 70 m of clastic debris. The area’s main river, Seti Khola, descends from the Annapurna Sabche Cirque at 3500-4500 m asl down to 900 m asl where it incises into this valley fill. Humans began to settle on this extensive
fan surface in the 1750’s when the Trans-Himalayan trade route connected the Higher Himalayas, passing Pokhara city, with the subtropical lowlands of the Terai. High and unstable river terraces and steep gorges undermined by fast flowing rivers with highly seasonal (monsoon-driven) discharge, a high earthquake risk, and a growing population make the Pokhara Valley an ideal place to study the recent geological and geomorphic history of its sediments and the implication for natural hazard appraisals.
The objective of this thesis is to quantify the timing, the sedimentologic and geomorphic processes as well as the fluvial response to a series of strong sediment pulses. I report
diagnostic sedimentary archives, lithofacies of the fan terraces, their geochemical provenance, radiocarbon-age dating and the stratigraphic relationship between them. All these various and independent lines of evidence show consistently that multiple sediment pulses filled the Pokhara Valley in medieval times, most likely in connection with, if not triggered by, strong seismic ground shaking. The geomorphic and sedimentary evidence is
consistent with catastrophic fluvial aggradation tied to the timing of three medieval Himalayan earthquakes in ~1100, 1255, and 1344 AD. Sediment provenance and calibrated radiocarbon-age data are the key to distinguish three individual sediment pulses, as these are not evident from their sedimentology alone. I explore various measures of adjustment and fluvial response of the river system following these massive aggradation pulses. By using proxies such as net volumetric erosion, incision and erosion rates, clast provenance on active river banks, geomorphic markers such as re-exhumed tree trunks in growth position, and knickpoint locations in tributary valleys, I estimate the response of the river network in the Pokhara Valley to earthquake disturbance over several centuries. Estimates of the removed volumes since catastrophic valley filling began, require average net sediment
yields of up to 4200 t km−2 yr−1 since, rates that are consistent with those reported for Himalayan rivers. The lithological composition of active channel-bed load differs from that of local bedrock material, confirming that rivers have adjusted 30-50% depending on data of different tributary catchments, locally incising with rates of 160-220 mm yr−1. In many tributaries to the Seti Khola, most of the contemporary river loads come from a Higher Himalayan source, thus excluding local hillslopes as sources. This imbalance in sediment provenance emphasizes how the medieval sediment pulses must have rapidly traversed up to 70 km downstream to invade the downstream reaches of the tributaries
up to 8 km upstream, thereby blocking the local drainage and thus reinforcing, or locally creating new, floodplain lakes still visible in the landscape today.
Understanding the formation, origin, mechanism and geomorphic processes of this valley fill is crucial to understand the landscape evolution and response to catastrophic sediment pulses. Several earthquake-triggered long-runout rock-ice avalanches or catastrophic dam burst in the Higher Himalayas are the only plausible mechanisms to explain both the geomorphic and sedimentary legacy that I document here. In any case, the Pokhara Valley was most likely hit by a cascade of extremely rare processes over some two centuries starting in the early 11th century. Nowhere in the Himalayas do we find valley fills of
comparable size and equally well documented depositional history, making the Pokhara Valley one of the most extensively dated valley fill in the Himalayas to date. Judging from the growing record of historic Himalayan earthquakes in Nepal that were traced and
dated in fault trenches, this thesis shows that sedimentary archives can be used to directly aid reconstructions and predictions of both earthquake triggers and impacts from a sedimentary-response perspective. The knowledge about the timing, evolution, and response of the Pokhara Valley and its river system to earthquake triggered sediment pulses is important to address the seismic and geomorphic risk for the city of Pokhara. This
thesis demonstrates how geomorphic evidence on catastrophic valley infill can help to independently verify paleoseismological fault-trench records and may initiate re-thinking on post-seismic hazard assessments in active mountain regions.
N2  - Der Transport von Sedimenten in Flüssen ist wichtig, um Landschaftsformen in Gebirgsregionen entstehen zu lassen. Eine erhöhte, plötzliche Sedimentzufuhr, beispielsweise durch Massenbewegungen ausgelöst, kann ein Flusssystem schnell aus dem Gleichgewicht bringen. Innerhalb kurzer Zeit transportiertes Sediment wird häufig an Überschwemmungsflächen abgelagert, was zu instabilen Flussverläufen, erhöhtem Sedimentabtrag und vermehrten Überschwemmungen führen kann. Talverfüllungen, Schwemmmfächer, Flussterrassen und Überschwemmungsebenen sind in diesem Zusammenhang die am häufigsten vorkommenden Landschaftsformen, um große Materialvolumen zu speichern. Weil Wasser und Sediment als Baustoff in ausreichenden Mengen zur Verfügung stehen, sind sie bevorzugte Siedlungsflächen.
Diese Dissertation untersucht in drei Studien die Entstehung, geomorphologische und sedimentologische Prozesse, sowie die Anpassung des Flusssystems auf einen erhöhten Sedimenteintrag des heute mit Sedimenten verfüllten Pokhara Tals im zentralen Himalaya. Die Stadt Pokhara liegt am Fuße des bis zu 8000 m hohen Annapurna Massivs auf einem ~150 km2 großen, aus klastischen Sedimentablagerungen bestehender Fächer. Das Tal ist von bis zu 70 m hohen Terrassen gekennzeichnen und auffallend flach im Vergleich zur umliegenden Topographie. Der Seti Khola entwässert das Annapurna Massiv in einer Höhe von 3500-5000 m ü.N.N. und erreicht nach kurzer Distanz den Pokhara Fächer. Erste Bewohner siedelten sich in den 1750er Jahren an als die frühere Handelsroute den Hohen Himalaya mit dem subtropischen Tiefland (Terai) verbunden hat. Seither wächst die Stadt stetig und ist heute, nach Kathmandu, die zweitgrößte Stadt Nepals.
Durch die Nähe der geologischen Hauptstörung zwischen dem Hohen Himalaya und dem tiefer liegenden Vorderen Himalaya herrscht ein hohes Erdbebenrisiko im Pokhara Tal. Die Kombination aus hohen Terrassen und tiefen, von schnell fließenden Flüssen ausgespülten
Schluchten, machen das Tal zu einem geeigneten Ort, um die kaum untersuchte geologische und geomorphologische Geschichte der in diesem Tal abgelagernten Sedimente zu erforschen. Um Landschaftsveränderungen und -entwicklungen zu verstehen sowie die
Reaktion des Flussnetzes auf erhöhte Sedimentzufuhr zu überblicken, ist es unabdingbar, den Ursprung des Materials, die sedimentologischen Prozesse und mögliche Auslöser der Talverfüllung zu analysieren.
Daten und Proben aus dem Gelände, die später im Labor datiert, ausgewertet, mit sedimentologischen Aufzeichnungen kombiniert und durch fernerkundliche Methoden ergänzt und analysiert wurden, bilden die Basis der Ergebnisse dieser Dissertation. Da solche
massiven, in sehr kurzer Zeit abgelagerten Sedimente auf eine katastrophale Entstehung hindeuten, spielt auch der zeitliche Aspekt eine wichtige Rolle.
erschiedene Beweise zeigen, dass mindestens drei Sedimentereignisse das Pokhara Tal verfüllt haben. Ich dokumentiere ein aufschlussreiches Sedimentarchiv, Sedimentabfolgen geochemische Provenienz, Radiokarbonalter und die stratigraphische Beziehung zwischen diesen Ergebnissen. Diese unabhängig voneinander gewonnen Ergebnisse zeigen, dass geomorphologische und sedimentologische Beweise mit den Altersdatierungen konsistent sind und wir mit diesen Untersuchungen die abgelagerten Geröllmassen mit historischen Starkbeben in Verbindung bringen können (~1100, 1255, 1344 AD). Provenienz in Kombination mit den Altersdatierungen lassen uns wiederum die drei Ereignisse in ihren Mächtigkeit unterscheiden und individuel das Volumen bestimmen. Messungen zur Anpassung des
Flusssystems ergeben, dass das System noch stark von seinem Gleichgewicht abweicht, da erst 30-70% des über kurze Zeit abgelagerten Materials aus dem Flussbett ausgeräumt wurden. Hierfür benutzte Marker sind unter Anderem volumetrische Berechnungen, Erosionsund Einschneideraten der Flüsse, Bäume in ihrer Wachstumsposition zur Altersdatierung und Stufen im Längsgerinneprofil der Seitenflüsse. Das bis heute abgetragene Volumen ergibt Sedimentaustragsraten von bis zu 4200 t km−2 yr−1 am Fuß des Fächers. Die lithologische Zusammensetzung aktiver Flussbänke in Seitentälern zeigt, dass Material der Formation gegenüber lokalem Grundgestein immer noch dominiert. Dieses lithologische Ungleichgewicht verdeutlicht, wie schnell Sedimentmassen in drei Ereignissen über 70 km talabwärts und bis zu 8 km flussaufwärts (in die Seitentäler) abgelagert wurden. Lokale Einschneideraten in die Pokhara Formation liegen zwischen 0.16-0.22 m yr−1 und weisen auf einen sich schnell verändernden Flussverlauf hin.
Um die Landschaftsentwicklung nach solch massiven Sedimentablagerungen analysieren zu können, müssen die Sedimentologie, die geomorphologischen Prozesse, der Ursprung und
die Mechanismen der Talverfüllung verstanden und als Basiswissen vorausgesetzt werden. Aus den gewonnen Resultaten schließen wir, dass das Pokhara Tal von mehreren katastrophal aufeinanderfolgenden Naturereignissen in einem Zeitraum von ~200 Jahren seit dem 12. Jahrhundert heimgesucht wurde. Nirgendwo im Himalaya finden wir vergleichbare Talverfüllungen, weder in ihrer Größe, noch in dieser detailliert aufgenommenen geomorphologischen
Geschichte und sedimentologischen Aufzeichnungen. Das Pokhara Tals ist damit eine der am besten datierten Talverfüllungen des gesamten Himalaya. Diese Arbeit zeigt, dass in sedimentären Archiven - unabhängig von der Paleoseismologie - historische Starkbeben datiert und erkannt werden können. So hilft das Wissen über den zeitlichen Verlauf der Talverfüllung, die Entwicklung des Fächers und die Anpassung des Flusssystems in Zukunft Entscheidungen zu treffen, die das geomorphologische Risiko für die Stadt Pokhara vermindern und gleichzeitig bauliche Maßnahmen besser an die lokalen Risikofaktoren angepasst werden können.
KW  - geomorphology
KW  - geohazards
KW  - Himalaya
KW  - radiocarbon age dating
KW  - Geomorphologie
KW  - Naturgefahren
KW  - Himalaya
KW  - Radiokarbondatierung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-413341
ER  -