TY - THES A1 - Natkhin, Marco T1 - Modellgestützte Analyse der Einflüsse von Veränderungen der Waldwirtschaft und des Klimas auf den Wasserhaushalt grundwasserabhängiger Landschaftselemente T1 - Model-based Analysis of the Impact of Changing Climate and Forest Cultivation on the Water Balance of Groundwater-Dependent Landscape Elements N2 - In den letzten drei Jahrzehnten wurden in einigen Seen und Feuchtgebieten in bewaldeten Einzugsgebieten Nordost-Brandenburgs sinkende Wasserstände beobachtet. In diesen Gebieten bestimmt die Grundwasserneubildung im Einzugsgebiet maßgeblich das Wasserdargebot der Seen und Feuchtgebiete, die deshalb hier als grundwasserabhängige Landschaftselemente bezeichnet werden. Somit weisen die sinkenden Wasserstände auf einen Rückgang der wegen des geringen Niederschlagsdargebotes ohnehin schon geringen Grundwasserneubildung hin. Die Höhe der Grundwasserneubildung ist neben den hydroklimatischen Randbedingungen auch von der Landnutzung abhängig. Veränderungen in der Waldvegetation und der hydroklimatischen Randbedingungen bewirken Änderungen der Grundwasserneubildung und beeinflussen somit auch den Wasserhaushalt der Seen und Feuchtgebiete. Aktuell wird die Waldvegetation durch Kiefernmonokulturen dominiert, mit im Vergleich zu anderen Baumarten höherer Evapotranspiration. Entwicklungen in der Forstwirtschaft streben die Verringerung von Kiefernmonokulturen an. Diese sollen langfristig auf geeigneten Standorten durch Laubmischwälder ersetzt werden. Dadurch lassen sich eine geringere Evapotranspiration und damit eine höhere Grundwasserneubildung erreichen. In der vorliegenden Arbeit werden am Beispiel des Redernswalder Sees und des Briesensees die Ursachen der beobachteten sinkenden Wasserstände analysiert. Ihre Wasserstände nahmen in den letzten 25 Jahren um mehr als 3 Meter ab. Weiterhin wird untersucht, wie die erwarteten Klimaänderungen und Veränderungen in der Waldbewirtschaftung die zukünftige Grundwasserneubildung und den Wasserhaushalt von Seen beeinflussen können. Die Entwicklung der Grundwasserneubildung im Untersuchungsgebiet wurde mit dem Wasserhaushaltsmodell WaSiM-ETH simuliert. Die Analyse der Wechselwirkungen der Seen mit dem regionalen quartären Grundwasserleitersystem erfolgte mit dem 3D-Grundwassermodell FEFLOW. Mögliche zukünftige Veränderungen der Grundwasserneubildung und der Seewasserstände durch Klimaänderungen und Waldumbau wurden mit Szenarienrechnungen bis zum Jahr 2100 analysiert. Die modellgestützte Analyse zeigte, dass die beobachteten abnehmenden Wasserstände zu etwa gleichen Anteilen durch Veränderungen der hydroklimatischen Randbedingungen sowie durch Veränderungen in der Waldvegetation und damit abnehmenden Grundwasserneubildungsraten zu erklären sind. Die zukünftigen Entwicklungen der Grundwasserneubildung und der Wasserstände sind geprägt von sich ändernden hydroklimatischen Randbedingungen und einem sukzessiven Wandel der Kiefernbestände zu Laubwäldern. Der Waldumbau hat positive Wirkungen auf die Grundwasserneubildung und damit auf die Wasserstände. Damit können die Einflüsse des eingesetzten REMO-A1B-Klimaszenarios zum Ende des Modellzeitraumes durch den Waldumbau nicht kompensiert werden, das Sinken des Wasserstandes wird jedoch wesentlich reduziert. Bei dem moderateren REMO-B1-Klimaszenario werden die Wasserstände des Jahres 2008 durch den Waldumbau bis zum Jahr 2100 überschritten. N2 - Declining water levels have been observed in some lakes and wetlands in forested catchments in North-East Brandenburg (Germany). Groundwater recharge mainly controls the supply of water available for lakes and wetlands, therefore determining them as groundwater-dependent landscape elements. Thus, the declining water levels indicate a reduction of groundwater recharge. Aspects such as climate change and different forest management practices have been considered as main factors affecting the regional groundwater regime. Currently, forest landscapes in North-East Brandenburg are dominated by pine monoculture. Depending on the climate conditions, groundwater recharge can be significantly lower under pine than under broad-leaved species like beech or oak. Regional forest administration is currently planning to expand the share of broad-leaved trees among mixed deciduous forest in the future. For this study, two lakes were chosen, the Redernswalder See and the Briesensee at Poratz. Water gauge measurements over the last 25 years showed a decline in lake water level by more than 3 m. To identify and quantify the share of changes in both, climate and forest management, the principal processes were evaluated using field measurements and water balance modelling. In the following step, alternative climate change and forestry scenarios were analysed to discover their impacts on the regional distribution of groundwater recharge. At first, the causes of the declining observed water levels were analysed. For this purpose, the physically based and fully distributed water balance model WaSiM-ETH was used to simulate groundwater recharge in the catchment and evaporation from the lake surfaces from 1958 to 2007. To analyse the geohydrological conditions, a FEFLOW 3D groundwater model was built up for the underlying Quaternary aquifer system. Possible development directions of the water balance were simulated under the influence of climate change and forest conversion until 2100. The model based analysis showed that the observed declining water levels are caused by both changes in climatic boundary conditions and in forest vegetation (age distribution and understorey) followed by decreasing groundwater recharge with an equal magnitude. The future developments of groundwater recharge and water levels are governed by changes in climatic boundary conditions and a transition from pine monoculture to broad-leaved trees. Forest conversion will show a positive effect on groundwater recharge and likely increase the water levels of lakes and wetlands. The forest conversation can not completely compensate the impact of climate change to the lake water levels, but the decrease can be significantly limited. KW - Seewasserhaushalt KW - Waldumbau KW - Grundwasserneubildung KW - Nordostdeutsches Tiefland KW - Klimaänderungen KW - lakes water balance KW - forest conversion KW - groundwater recharge KW - North-East German Plain KW - climate change Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50627 ER - TY - THES A1 - Barbosa, Luís Romero T1 - Groundwater recharge in tropical wet regions via GIS-based and cosmic-ray neutron sensing T1 - Recarga de águas subterrâneas em regiões úmidas tropicais por métodos baseados em SIG e Detecção de Nêutrons de Raios Cósmicos T1 - Grundwasserneubildung in tropisch-feuchten Gebieten über GIS-basierte Methoden und Messung der Neutronen aus kosmischer Höhenstrahlung N2 - Studies on the unsustainable use of groundwater resources are still considered incipient since it is frequently a poorly understood and managed, devalued and inadequately protected natural resource. Groundwater Recharge (GWR) is one of the most challenging elements to estimate since it can rarely be measured directly and cannot easily be derived from existing data. To overcome these limitations, many hydro(geo)logists have combined different approaches to estimate large-scale GWR, namely: remote sensing products, such as IMERG product; Water Budget Equation, also in combination with hydrological models, and; Geographic Information System (GIS), using estimation formulas. For intermediary-scale GWR estimation, there exist: Non-invasive Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS); wireless networks from local soil probes; and soil hydrological models, such as HYDRUS. Accordingly, this PhD thesis aims, on the one hand, to demonstrate a GIS-based model coupling for estimating the GWR distribution on a large scale in tropical wet basins. On the other hand, it aims to use the time series from CRNS and invasive soil moisture probes to inversely calibrate the soil hydraulic properties, and based on this, estimating the intermediary-scale GWR using a soil hydrological model. For such purpose, two tropical wet basins located in a complex sedimentary aquifer in the coastal Northeast region of Brazil were selected. These are the João Pessoa Case Study Area and the Guaraíra Experimental Basin. Several satellite products in the first area were used as input to the GIS-based water budget equation model for estimating the water balance components and GWR in 2016 and 2017. In addition, the point-scale measurement and CRNS data were used in the second area to determine the soil hydraulic properties, and to estimate the GWR in the 2017-2018 and 2018-2019 hydrological years. The resulting values of GWR on large- and intermediary-scale were then compared and validated by the estimates obtained by groundwater table fluctuations. The GWR rates for IMERG- and rain-gauge-based scenarios showed similar coefficients between 68% and 89%, similar mean errors between 30% and 34%, and slightly-different bias between -13% and 11%. The results of GWR rates for soil probes and CRNS soil moisture scenarios ranged from -5.87 to -61.81 cm yr-1, which corresponds to 5% and 38% of the precipitation. The calculations of the mean GWR rates on large-scale, based on remote sensing data, and on intermediary-scale, based on CRNS data, held similar results for the Podzol soil type, namely 17.87% and 17% of the precipitation. It is then concluded that the proposed methodologies allowed for estimating realistically the GWR over the study areas, which can be a ground-breaking step towards improving the water management and decision-making in the Northeast of Brazil. N2 - Studien über die nicht nachhaltige Nutzung von Grundwasserressourcen gelten nach wie vor als am Anfang, da es sich oft um eine schlecht verstandene und unkontrolliert genutzte, geringgeschätzte und unzureichend geschützte natürliche Ressource handelt. Die Grundwasserneubildung (GWR) ist eines der am schwierigsten abzuschätzenden Einflussgrößen, da sie selten direkt gemessen werden kann und nicht einfach aus vorhandenen Daten abzuleiten ist. Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben viele Hydro(geo)logen verschiedene Ansätze kombiniert, um die GWR in großem Maßstab zu ermitteln, darunter sind: Fernerkundungsprodukte, wie das IMERG-Produkt; Wasserbilanz-Abschätzungen, auch in Kombination mit hydrologischen Modellen und; Geographische Informationssysteme (GIS) unter Nutzung von Abschätzungsformeln. Für die Ermittlung von GWR auf mittleren Flächenskalen existieren: Nicht-invasive Messung der Albedoneutronen an der Landoberfläche (CRNS); Drahtlosnetzwerke von lokalen Bodensonden, und bodenhydrologische Modelle, wie bspw. HYDRUS. In diesem Kontext zielt die Doktorarbeit zum einen darauf ab, eine GIS-basiert Modellkopplung zur Schätzung der GWR-Verteilung im großen Maßstab in tropisch-feuchte Einzugsgebiete aufzuzeigen. Zum anderen verwendet sie CRNS- und invasive Bodenfeuchtesonden-Zeitreihen zur inversen Kalibrierung der hydraulischen Bodeneigenschaften und darauf aufbauend zur Schätzung der GWR im mittleren Maßstab über ein bodenhydrologisches Modell. Zu diesem Zweck wurden zwei tropisch-feuchte Einzugsgebiete ausgewählt, die sich in einem komplexen Sedimentgrundwasserleiter der Küstenregion des Nordosten-Brasilien befinden. Dies sind das João Pessoa-Fallstudiengebiet und das Guaraíra-Flusseinzugsgebiet. Mehrere Satellitenprodukte wurden im ersten Gebiet als Eingangsdaten für das GIS-basierte Wasserbilanz-Modell zur Schätzung der Wasserhaushaltskomponenten und der GWR in den Jahren 2016 und 2017 verwendet. Daneben wurden im zweiten Gebiet die Punktmessungen- und CRNS-Daten verwendet, um über ein bodenhydrologisches HYDRUS-1D-Modell die hydraulischen Bodeneigenschaften zu ermitteln und die GWR in den hydrologischen Jahren 2017-2018 und 2018-2019 abzuschätzen. Die resultierenden GWR-Werte im großen und mittleren Maßstab wurden dann mit den gemessenen Schwankungen der Grundwasserstände verglichen und daran überprüft. Die GWR-Raten aus IMERG- und Niederschlagsmessern-basierten Szenarien zeigten ähnliche Korrelationen zwischen 68% und 89%, mittlere Fehler zwischen 30% und 34%, und leicht unterschiedliche Abweichungen zwischen -13% und 11%. Die berechneten GWR-Raten für Bodensonden- und CRNS-Bodenfeuchtewerte lagen im Bereich von 58,7 bis 618,1 mm im Jahr, was 5% bzw. 38% der Niederschlagsmengen entspricht. Die Berechnung der mittleren GWR-Raten auf großer Landschaftsskala, basierend auf Fernerkundungsdaten, und auf mittlerer Skala, basierend auf CRNS-Daten, ergaben für den Bodentyp Podsol ähnliche Ergebnisse, nämlich 17,87% bzw. 17% der Niederschläge. Daraus wurde der Schluss gezogen, dass die vorgeschlagenen Methoden eine realistische Schätzung der GWR in den Untersuchungsgebieten ermöglichen, was ein wegweisender Schritt zur Verbesserung des Wassermanagements und Nutzungsentscheidungen im Nordosten Brasiliens sein kann. N2 - Estudos sobre o uso insustentável dos recursos hídricos subterrâneos ainda são considerados incipientes, por se tratar de um recurso natural pouco compreendido e gerenciado, desvalorizado e mal protegido. A Recarga de Água Subterrânea (GWR) é um dos elementos mais desafiadores para estimar, pois raramente pode ser medido diretamente e não pode ser facilmente derivado dos dados existentes. Para superar essas limitações, muitos hidro(geo)logistas têm combinado diferentes abordagens para estimar a GWR em larga escala, a saber: produtos de sensoriamento remoto, como o produto IMERG; Equação do Balanço Hídrico, também em combinação com modelos hidrológicos no solo, e; Sistema de Informação Geográfica (GIS), com o uso de fórmulas de estimativa. Para as estimativas de GWR em escala intermediária, existem: Detecção Não-invasiva de Nêutrons de Raios Cósmicos (CRNS); redes sem fio a partir de sondas locais inseridos no solo; e modelos hidrológicos, como o HYDRUS. Neste contexto, a tese de doutorado visa, por um lado, demonstrar um acoplamento de modelo baseado em GIS para estimar a distribuição da GWR em larga escala em bacias tropicais úmidas. Por outro lado, visa utilizar as séries temporais de CRNS e de umidade do solo de sondas invasivas para calibrar inversamente as propriedades hidráulicas do solo, e com base nisso, estimar a GWR em escala intermediária usando um modelo hidrológico do solo. Para tanto, foram selecionadas duas bacias hidrográficas úmidas tropicais, localizadas em um aquífero sedimentar complexo na região costeira do Nordeste do Brasil. Estas são a Área de Estudo de Caso de João Pessoa e a Bacia Experimental do Guaraíra. Vários produtos de satélite foram usados na primeira área como entrada no modelo de balanço hídrico baseado em GIS para estimar os componentes do balanço hídrico e a GWR em 2016 e 2017. Além disso, as medições em escala pontual e os dados de CRNS foram usados na segunda área para determinar as propriedades hidráulicas do solo, e estimar GWR nos anos hidrológicos 2017-2018 e 2018-2019. Os valores resultantes de GWR em escala larga e intermediária foram então comparadas e validadas pelas estimativas obtidas pelas flutuações do lençol freático. As taxas de GWR para os cenários baseados no IMERG e em medidores de precipitação mostraram correlações semelhantes entre 68% e 89, erros médios semelhantes entre 30% e 34%, e viés ligeiramente diferentes entre -13% e 11%. Os resultados das taxas de GWR para os cenários de umidade do solo para sensores inseridos no solo e CRNS variaram de -5,87 a -61,81 cm ano-1, o que corresponde a 5% e 38% da precipitação. Os cálculos das taxas médias de GWR em grande escala, com base em dados de sensoriamento remoto, e em média escala, com base em dados de CRNS, apresentaram resultados semelhantes para o tipo de solo Espodossolo, a saber 17,87% e 17% da precipitação. Conclui-se então que as metodologias propostas permitiram estimar realisticamente a GWR nas áreas de estudo, o que pode ser um passo inovador no tocante ao aprimoramento do gerenciamento e tomada de decisão da água no Nordeste do Brasil. KW - groundwater recharge KW - remote sensing KW - cosmic-ray neutron sensing KW - soil hydraulic properties KW - northeast of Brazil KW - Grundwasserneubildung KW - Fernerkundungsprodukte KW - Neutronen aus kosmischer Höhenstrahlung KW - hydraulische Bodeneigenschaften KW - Nordostbrasilien KW - recarga de águas subterrâneas KW - sensoriamento remoto KW - detecção de nêutrons de raios cósmicos KW - propriedades hidráulicas do solo KW - nordeste do Brasil Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-460641 ER -