TY  - THES
A1  - Schrön, Martin
T1  - Cosmic-ray neutron sensing and its applications to soil and land surface hydrology
T1  - Neutronen aus kosmischer Strahlung und deren Anwendung für Boden- und Landoberflächen-Hydrologie
BT  - on neutron physics, method development, and soil moisture estimation across scales
N2  - Water scarcity, adaption on climate change, and risk assessment of droughts and floods are critical topics for science and society these days. Monitoring and modeling of the hydrological cycle are a prerequisite to understand and predict the consequences for weather and agriculture. As soil water storage plays a key role for partitioning of water fluxes between the atmosphere, biosphere, and lithosphere, measurement techniques are required to estimate soil moisture states from small to large scales.

The method of cosmic-ray neutron sensing (CRNS) promises to close the gap between point-scale and remote-sensing observations, as its footprint was reported to be 30 ha. However, the methodology is rather young and requires highly interdisciplinary research to understand and interpret the response of neutrons to soil moisture. In this work, the signal of nine detectors has been systematically compared, and correction approaches have been revised to account for meteorological and geomagnetic variations. Neutron transport simulations have been consulted to precisely characterize the sensitive footprint area, which turned out to be 6--18 ha, highly local, and temporally dynamic. These results have been experimentally confirmed by the significant influence of water bodies and dry roads. Furthermore, mobile measurements on agricultural fields and across different land use types were able to accurately capture the various soil moisture states. It has been further demonstrated that the corresponding spatial and temporal neutron data can be beneficial for mesoscale hydrological modeling. Finally, first tests with a gyrocopter have proven the concept of airborne neutron sensing, where increased footprints are able to overcome local effects.

This dissertation not only bridges the gap between scales of soil moisture measurements. It also establishes a close connection between the two worlds of observers and modelers, and further aims to combine the disciplines of particle physics, geophysics, and soil hydrology to thoroughly explore the potential and limits of the CRNS method.
N2  - Wasserknappheit, Anpassung an Klimaveränderungen, und Gefahrenabschätzungen von Dürren und Fluten sind heutzutage dringende Themen für Forschung und Gesellschaft. Vorallem um die Auswirkungen auf Wetter und Landwirtschaft zu verstehen und vorherzusagen, ist es wichtig, den Wasserkreislauf der Erde zu beobachten und zu simulieren. In diesem System spielt Bodenfeuchte eine Schlüsselrolle, welche den Wasseraustausch zwischen Boden, Luft, und Pflanzen bestimmt. Daher sind ausgeklügelte Messtechnologien erforderlich, welche Bodenfeuchte von kleinen Ackerschlägen bis hin zu großen Gebieten erfassen können.

Die neuartige Methode, Neutronen aus kosmischer Strahlung zu messen (CRNS), ist eine vielversprechende Technologie um die Lücke zwischen Punktmessungen und Fernerkundungen zu schließen, da der Einflussbereich des Sensors bei ca. 30 ha liegen soll. Allerdings ist intensive interdisziplinäre Forschung nötig, um die Beziehung zwischen Neutronen und Bodefeuchte zu verstehen. In dieser Arbeit wurden erstmals verschiedene Sensoren systematisch miteinander verglichen, und die bisherigen Korrekturen für meteorologische und geomagnetische Einflüsse näher untersucht. Darüber hinaus wurden Simulationen der Neutronenphysik herangezogen, um den Einflussbereich des Sensors genauestens zu charakterisieren. Demnach ist der Sensor je nach Umgebungsfeuchte hauptsächlich in der Fläche von ca. 6--18 ha, sowie besonders im Nahbereich, sensitiv. Diese Resultate konnten durch Experimente nahe Gewässern und Straßen bestätigt werden. Dennoch ist die Methode nachwievor sehr gut in der Lage, die Bodenfeuchte in Ackerflächen, Grasland und auch Wäldern zu erfassen. Zudem wurde gezeigt, dass sich die räumlichen und zeitlichen Neutronen-Daten gut für die hydrologische Modellierung eignen. Abschließend wurde eine neue Möglichkeit untersucht, um Neutronen aus der Luft mit einem Traghubschrauber in noch größeren Gebieten zu messen.

Diese Dissertation untersucht die CRNS-Methode auf verschiedenen Skalen, und verknüpft dabei Beobachtung mit Modellierung. Außerdem verbindet diese Arbeit die verschiedenen Disziplinen der Teilchenphysik, Geophysik, und Bodenhydrologie, um das Potential und die Grenzen der Methode ganzheitlich zu beurteilen.
KW  - soil moisture
KW  - hydrology
KW  - cosmic rays
KW  - neutrons
KW  - water monitoring
KW  - Bodenfeuchte
KW  - Hydrologie
KW  - kosmische Strahlung
KW  - Neutronen
KW  - Wasser-Monitoring
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-395433
SN  - 978-3-8439-3139-7
PB  - Verlag Dr. Hut GmbH
CY  - München
ER  - 
TY  - THES
A1  - Reich, Marvin
T1  - Advances in hydrogravimetry
T1  - Weiterentwicklung der Hydrogravimetrie
BT  - terrestrial gravimeters as field tools for hydrological applications
BT  - terrestrische Gravimeter als Messgeräte für hydrologische Anwendungen
N2  - The interest of the hydrological community in the gravimetric method has steadily increased within the last decade. This is reflected by numerous studies from many different groups with a broad range of approaches and foci. Many of those are traditionally rather hydrology-oriented groups who recognized gravimetry as a potential added value for their hydrological investigations. While this resulted in a variety of interesting and useful findings, contributing to extend the respective knowledge and confirming the methodological potential, on the other hand, many interesting and unresolved questions emerged.
This thesis manifests efforts, analyses and solutions carried out in this regard. Addressing and evaluating many of those unresolved questions, the research contributes to advancing hydrogravimetry, the combination of gravimetric and hydrological methods, in showing how gravimeters are a highly useful tool for applied hydrological field research.

In the first part of the thesis, traditional setups of stationary terrestrial superconducting gravimeters are addressed. They are commonly installed within a dedicated building, the impermeable structure of which shields the underlying soil from natural exchange of water masses (infiltration, evapotranspiration, groundwater recharge). As gravimeters are most sensitive to mass changes directly beneath the meter, this could impede their suitability for local hydrological process investigations, especially for near-surface water storage changes (WSC). By studying temporal local hydrological dynamics at a dedicated site equipped with traditional hydrological measurement devices, both below and next to the building, the impact of these absent natural dynamics on the gravity observations were quantified. A comprehensive analysis with both a data-based and model-based approach led to the development of an alternative method for dealing with this limitation. Based on determinable parameters, this approach can be transferred to a broad range of measurement sites where gravimeters are deployed in similar structures. Furthermore, the extensive considerations on this topic enabled a more profound understanding of this so called umbrella effect.

The second part of the thesis is a pilot study about the field deployment of a superconducting gravimeter. A newly developed field enclosure for this gravimeter was tested in an outdoor installation adjacent to the building used to investigate the umbrella effect. Analyzing and comparing the gravity observations from both indoor and outdoor gravimeters showed performance with respect to noise and stable environmental conditions was equivalent while the sensitivity to near-surface WSC was highly increased for the field deployed instrument. Furthermore it was demonstrated that the latter setup showed gravity changes independent of the depth where mass changes occurred, given their sufficiently wide horizontal extent. As a consequence, the field setup suits monitoring of WSC for both short and longer time periods much better. Based on a coupled data-modeling approach, its gravity time series was successfully used to infer and quantify local water budget components (evapotranspiration, lateral subsurface discharge) on the daily to annual time scale.

The third part of the thesis applies data from a gravimeter field deployment for applied hydrological process investigations. To this end, again at the same site, a sprinkling experiment was conducted in a 15 x 15 m area around the gravimeter. A simple hydro-gravimetric model was developed for calculating the gravity response resulting from water redistribution in the subsurface. It was found that, from a theoretical point of view, different subsurface water distribution processes (macro pore flow, preferential flow, wetting front advancement, bypass flow and perched water table rise) lead to a characteristic shape of their resulting gravity response curve. Although by using this approach it was possible to identify a dominating subsurface water distribution process for this site, some clear limitations stood out. Despite the advantage for field installations that gravimetry is a non-invasive and integral method, the problem of non-uniqueness could only be overcome by additional measurements (soil moisture, electric resistivity tomography) within a joint evaluation. Furthermore, the simple hydrological model was efficient for theoretical considerations but lacked the capability to resolve some heterogeneous spatial structures of water distribution up to a needed scale. Nevertheless, this unique setup for plot to small scale hydrological process research underlines the high potential of gravimetery and the benefit of a field deployment. 

The fourth and last part is dedicated to the evaluation of potential uncertainties arising from the processing of gravity observations. The gravimeter senses all mass variations in an integral way, with the gravitational attraction being directly proportional to the magnitude of the change and inversely proportional to the square of the distance of the change. Consequently, all gravity effects (for example, tides, atmosphere, non-tidal ocean loading, polar motion, global hydrology and local hydrology) are included in an aggregated manner. To isolate the signal components of interest for a particular investigation, all non-desired effects have to be removed from the observations. This process is called reduction. The large-scale effects (tides, atmosphere, non-tidal ocean loading and global hydrology) cannot be measured directly and global model data is used to describe and quantify each effect. Within the reduction process, model errors and uncertainties propagate into the residual, the result of the reduction. The focus of this part of the thesis is quantifying the resulting, propagated uncertainty for each individual correction. Different superconducting gravimeter installations were evaluated with respect to their topography, distance to the ocean and the climate regime. Furthermore, different time periods of aggregated gravity observation data were assessed, ranging from 1 hour up to 12 months. It was found that uncertainties were highest for a frequency of 6 months and smallest for hourly frequencies. Distance to the ocean influences the uncertainty of the non-tidal ocean loading component, while geographical latitude affects uncertainties of the global hydrological component. It is important to highlight that the resulting correction-induced uncertainties in the residual have the potential to mask the signal of interest, depending on the signal magnitude and its frequency. These findings can be used to assess the value of gravity data across a range of applications and geographic settings.

In an overarching synthesis all results and findings are discussed with a general focus on their added value for bringing hydrogravimetric field research to a new level. The conceptual and applied methodological benefits for hydrological studies are highlighted. Within an outlook for future setups and study designs, it was once again shown what enormous potential is offered by gravimeters as hydrological field tools.
N2  - Gravimetrie ist eine geophysikalische Methode, bei der Massen und deren Veränderungen beobachtet und gemessen werden. Die Messgeräte der Gravimetrie heißen Gravimeter. Wenn man diese Methode in der Erforschung von Wasser-relevanten Fragestellungen, Prozessen und Zuständen einsetzt (Hydrologie), spricht man auch von Hydrogravimetrie.
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich damit wie diese hydrogravimetrische Methode für angewandte Forschung im Feld benutzt wird und weiterentwickelt werden kann.

Zuerst wird thematisiert, wie konventionelle Aufbauten mit Gravimetern aussehen und was daran aus der hydrologischen Perspektive problematisch ist. Das Gebäude in dem sich das Gravimeter befindet, stellt eine große versiegelte Fläche dar, die es verhindert, dass in der direktem Umgebung natürliche Prozesse ablaufen. Das ist so problematisch, weil das Gravimeter besonders empfindlich auf Massänderungen in nächster räumlicher Nähe reagiert. Als Lösung wird mit Hilfe einer neuen Methode aufgezeigt, wie man unter Benutzung von traditionellen hydrologischen Messinstrumenten um das Gebäude herum diese verhinderten natürlichen Prozesse beschreiben kann.

Darauf folgend wird anhand eines erfolgreich getesteten Aufbaus eines Gravimeters außerhalb von einem Gebäude, also direkt im Gelände, demonstriert, was solch eine Außeninstallation für einen großen Vorteil für die hydrologische Feldforschung mit sich bringt. Darüberhinaus wird gezeigt, dass dieser alternative Aufbau keinerlei Nachteile hinsichtlich Genauigkeit, Qualität, Rauschen oder Beherrschbarkeit von Umwelteinflüssen mit sich bringt, sondern vor allem die Empfindlichkeit für Messungen von Wassermassenänderungen in Oberflächennähe stark verbessert.

Anhand eines Beregnungsexperiments auf der Fläche um dieses im Gelände installierten Gravimeters werden die Vorzüge der gravimetrischen Methode für die hydrologische Prozessforschung aufgezeigt. Verschiedene mögliche Ausbreitungen des verregneten Wassers im Untergrund können mittels dieser Methode charakterisiert und identifiziert werden.

Im letzten Teil wird das Problem von Unsicherheiten besprochen, die aus der notwendigen Datenbearbeitung resultieren. Um die gravimetrischen Beobachtungen auf die Anteile zu reduzieren, die innerhalb einer Studie betrachtet werden sollen, müssen alle Komponenten die das Gravimeter misst, die aber die hydrologische Interpretation stören, beseitigt werden. Dabei handelt es sich vor allem um globale Komponenten wie Gezeiten, Luftdruckschwankungen, Gezeiten-unabhängige Meeresströmungen und globale Hydrologie. Es wird untersucht, welche Unsicherheiten bei deren Korrektur auftreten, wenn verschiedene Zeitintervalle von zu beobachtenden hydrologischen Signalen vorherrschen.

Alle gewonnenen Resultate und Erfahrungen werden in einer gesamtheitlichen Betrachtung dahingehend diskutiert, wie die hydrogravimetrische Methode aufgrund dieser neuen Erkenntnisse verbessert und vorangebracht werden konnte.
KW  - hydrology
KW  - gravimetry
KW  - hydrogravimetry
KW  - fieldwork
KW  - hydrological modelling
KW  - geophysical methods
KW  - Feldarbeit
KW  - geophysikalische Methoden
KW  - Gravimetrie
KW  - Hydrogravimetrie
KW  - hydrologische Modellierung
KW  - Hydrologie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604794
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mohr, Christian Heinrich
T1  - Hydrological and erosion responses to man-made and natural disturbances : insights from forested catchments in South-central Chile
T1  - Hydrologische und Erosions-Reaktionen auf anthropogene und natürliche Störungen : Einblicke aus bewaldeten Einzugsgebieten im südlichen Zentralchile
N2  - Logging and large earthquakes are disturbances that may significantly affect hydrological and erosional processes and process rates, although in decisively different ways. Despite numerous studies that have documented the impacts of both deforestation and earthquakes on water and sediment fluxes, a number of details regarding the timing and type of de- and reforestation; seismic impacts on subsurface water fluxes; or the overall geomorphic work involved have remained unresolved. The main objective of this thesis is to address these shortcomings and to better understand and compare the hydrological and erosional process responses to such natural and man-made disturbances. To this end, south-central Chile provides an excellent natural laboratory owing to its high seismicity and the ongoing conversion of land into highly productive plantation forests. In this dissertation I combine paired catchment experiments, data analysis techniques, and physics-based modelling to investigate: 1) the effect of plantation forests on water resources, 2) the source and sink behavior of timber harvest areas in terms of overland flow generation and sediment fluxes, 3) geomorphic work and its efficiency as a function of seasonal logging, 4) possible hydrologic responses of the saturated zone to the 2010 Maule earthquake and 5) responses of the vadose zone to this earthquake. Re 1) In order to quantify the hydrologic impact of plantation forests, it is fundamental to first establish their water balances. I show that tree species is not significant in this regard, i.e. Pinus radiata and Eucalyptus globulus do not trigger any decisive different hydrologic response. Instead, water consumption is more sensitive to soil-water supply for the local hydro-climatic conditions. Re 2) Contradictory opinions exist about whether timber harvest areas (THA) generate or capture overland flow and sediment. Although THAs contribute significantly to hydrology and sediment transport because of their spatial extent, little is known about the hydrological and erosional processes occurring on them. I show that THAs may act as both sources and sinks for overland flow, which in turn intensifies surface erosion. Above a rainfall intensity of ~20 mm/h, which corresponds to <10% of all rainfall, THAs may generate runoff whereas below that threshold they remain sinks. The overall contribution of Hortonian runoff is thus secondary considering the local rainfall regime. The bulk of both runoff and sediment is generated by Dunne, saturation excess, overland flow. I also show that logging may increase infiltrability on THAs which may cause an initial decrease in streamflow followed by an increase after the groundwater storage has been refilled. Re 3) I present changes in frequency-magnitude distributions following seasonal logging by applying Quantile Regression Forests at hitherto unprecedented detail. It is clearly the season that controls the hydro-geomorphic work efficiency of clear cutting. Logging, particularly dry seasonal logging, caused a shift of work efficiency towards less flashy and mere but more frequent moderate rainfall-runoff events. The sediment transport is dominated by Dunne overland flow which is consistent with physics-based modelling using WASA-SED. Re 4) It is well accepted that earthquakes may affect hydrological processes in the saturated zone. Assuming such flow conditions, consolidation of saturated saprolitic material is one possible response. Consolidation raises the hydraulic gradients which may explain the observed increase in discharge following earthquakes. By doing so, squeezed water saturates the soil which in turn increases the water accessible for plant transpiration. Post-seismic enhanced transpiration is reflected in the intensification of diurnal cycling. Re 5) Assuming unsaturated conditions, I present the first evidence that the vadose zone may also respond to seismic waves by releasing pore water which in turn feeds groundwater reservoirs. By doing so, water tables along the valley bottoms are elevated thus providing additional water resources to the riparian vegetation. By inverse modelling, the transient increase in transpiration is found to be 30-60%. Based on the data available, both hypotheses, are not testable. Finally, when comparing the hydrological and erosional effects of the Maule earthquake with the impact of planting exotic plantation forests, the overall observed earthquake effects are comparably small, and limited to short time scales.
N2  - Landmanagement und tektonische Prozesse haben einen erheblichen Einfluss auf das Abflussverhalten und den Wasser-, sowie den Sedimenthaushalt von Gebirgsregionen. Sowohl forstwirtschaftliche Bewirtschaftung, als auch starke Erdbeben sind Impulse, die hydrologische und Erosionsprozesse, sowie deren Prozessraten beeinflussen. Obwohl zahlreiche Arbeiten bereits den Einfluss von forstlicher Bewirtschaftung (Abholzungen, Aufforstungen) als auch von Erdbeben auf Wasser und Sedimentflüsse dokumentiert haben, bleiben wichtige Fragen offen. Wie entscheidend ist der Zeitpunkts der Abholzung und des nachfolgenden Wiederaufforstens? Wie wirken seismische Störungen auf unterirdische Wasserflüsse? Wie ändert sich die geomorphologische Arbeit nach Kahlschlägen? Zur Erforschung dieser Fragen bietet sich das südliche Zentralchile aufgrund seiner hohen lokalen seismischen Aktivität und der kontinuierlichen Umwidmung von Flächen in hochproduktive Plantagenwälder hervorragend an. Letztere verursachen sich häufig verändernde Umweltbedingungen durch kurze forstwirtschaftliche Rotationszyklen. Diese Dissertation betrachtet Einzugsgebiete mit vergleichbarer naturräumlicher Ausstattung. Dabei werden experimentelle Datenerhebung, ein Monitoring-Programm und Datenanalysetechniken mit prozessbasierter Modellierung kombiniert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist: 1) die Untersuchung des Einflusses von Plantagenwäldern auf den lokalen Wasserhaushalt. Hier zeigt sich, dass die Baumart (Pinus radiata vs. Eucalyptus globulus) keinen entscheidenden Einfluss auf die lokale Wasserbilanz hat. Vielmehr ist der Bodenwasserspeicher unter dem gegebenen lokalen Hydroklima der entscheidende Faktor für den Wasserverbrauch. 2) die Untersuchung des Verhaltens von Kahlschlagflächen im Hinblick auf Quellen oder Senkenwirkung für Oberflächenabfluss und Sedimenttransport. Hier zeigt sich, dass diese Flächen sowohl als Quelle als auch als Senke für Oberflächenabfluss und Sedimenttransport wirken können – abhängig von der Regenintensität. Übersteigt diese ~20 mm/h, was <10 % der lokalen Niederschlagsereignisse entspricht, generieren Kahlschlagflächen Horton-Oberflächenabfluss (Infiltrationsüberschuss) und Sedimenttransport. Unterhalb dieses Schwellenwerts wirken sie als Senke. In Anbetracht der lokalen Niederschlagintensitäten ist der Gesamtbeitrag des Horton-Oberflächenabflusses daher sekundär. Der Großteil des Abflusses entsteht durch Dunne-Oberflächenabfluss (Sättigungsüberschuss). Zudem zeigt die vorliegende Arbeit, dass Abholzen die Infiltrabilität erhöhen kann. Dies führte dazu, dass zunächst der Gebietsabfluss abfällt bevor er erst nach Auffüllen des Grundwasserspeichers signifikant ansteigt. 3) Die Untersuchung des Einflusses von Kahlschlägen auf die hydro-geomorphologische Arbeit und ihre Effizienz. Durch das Anwenden von Quantile Regression Forests (QRF) wird auf kurzer Prozessskala gezeigt, dass Abholzung zu unterschiedlicher Jahreszeit zu signifikanten Veränderungen im Sedimenttransport führt. Vor allem Kahlschläge die während der Trockenzeit durchgeführt werden, verursachten einen Bedeutungsverlust von seltenen, stärkeren Abflussereignissen zu Gunsten der häufigeren, jedoch weniger starken Ereignissen. Hierbei dominierte der Dunne-Oberflächenabfluss. Dies stimmt mit den Ergebnissen eines prozessbasierten hydrologischen Modells (WASA-SED) überein. Es ist somit eindeutig die Jahreszeit, die die Leistung der hydro-geomorphologischer Arbeit nach Kahlschlägen prägte. 4) die Untersuchung von Grundwasserreaktionen auf das M8.8 Maule Erdbeben. Unter Grundwasserbedingungen kann der gesättigte Saprolith mit Verdichtung auf die Erdbebenerschütterungen reagieren. Dieser Prozess erhöht den hydraulischen Gradienten, der eine plausible Erklärung für den beobachteten Anstieg am Gebietsausfluss nach dem Erdbeben liefert. Die Verdichtung mobilisiert Grundwasser, das zudem von der ungesättigten Bodenmatrix aufgenommen werden kann. Hierdurch erhöht sich das Wasservolumen im Wurzelraum und begünstigt die Pflanzaktivität. Eine solche Aktivitätserhöhung spiegelt sich in verstärkten Tagesgängen wider. 5) die Untersuchung von hydrologischen Reaktionen auf das Erdbeben in der ungesättigten Zone. Hier zeigt sich, dass auch Bodenwasser aus der ungesättigten Bodenzone durch Erdbebenerschütterungen freigesetzt werden kann und den darunter liegenden Grundwasserspeicher zufließt. Hierdurch steigt der Grundwasserspiegel in den Talböden und erhöht dort die Pflanzenwasserverfügbarkeit. Durch inverse Modellierung wurde ein erdbebenbedingter Anstieg der Pflanzenaktivität von 30-60% quantifiziert. Beide Hypothesen sind jedoch auf Basis der verfügbaren Daten nicht eindeutig verifizierbar. Vergleicht man den Effekt des Erdbebens auf den Wasserhaushalt mit dem Effekt der exotischen Plantagenwälder zeigt sich, dass die Gesamtwirkung des Erdbebens auf den Wasserhaushalt vergleichsweise klein war und sich zudem auf kurze Zeiträume beschränkte.
KW  - Hydrologie
KW  - Erosion
KW  - Chile
KW  - Waldbewirtschaftung
KW  - Erdbeben
KW  - hydrology
KW  - erosion
KW  - Chile
KW  - forest management
KW  - earthquake
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70146
ER  -