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 - 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 - Kemter, Matthias T1 - River floods in a changing world T1 - Flusshochwasser in einer sich ändernden Welt N2 - River floods are among the most devastating natural hazards worldwide. As their generation is highly dependent on climatic conditions, their magnitude and frequency are projected to be affected by future climate change. Therefore, it is crucial to study the ways in which a changing climate will, and already has, influenced flood generation, and thereby flood hazard. Additionally, it is important to understand how other human influences - specifically altered land cover - affect flood hazard at the catchment scale. The ways in which flood generation is influenced by climatic and land cover conditions differ substantially in different regions. The spatial variability of these effects needs to be taken into account by using consistent datasets across large scales as well as applying methods that can reflect this heterogeneity. Therefore, in the first study of this cumulative thesis a complex network approach is used to find 10 clusters of similar flood behavior among 4390 catchments in the conterminous United States. By using a consistent set of 31 hydro-climatological and land cover variables, and training a separate Random Forest model for each of the clusters, the regional controls on flood magnitude trends between 1960-2010 are detected. It is shown that changes in rainfall are the most important drivers of these trends, while they are regionally controlled by land cover conditions. While climate change is most commonly associated with flood magnitude trends, it has been shown to also influence flood timing. This can lead to trends in the size of the area across which floods occur simultaneously, the flood synchrony scale. The second study is an analysis of data from 3872 European streamflow gauges and shows that flood synchrony scales have increased in Western Europe and decreased in Eastern Europe. These changes are attributed to changes in flood generation, especially a decreasing relevance of snowmelt. Additionally, the analysis shows that both the absolute values and the trends of flood magnitudes and flood synchrony scales are positively correlated. If these trends persist in the future and are not accounted for, the combined increases of flood magnitudes and flood synchrony scales can exceed the capacities of disaster relief organizations and insurers. Hazard cascades are an additional way through which climate change can influence different aspects of flood hazard. The 2019/2020 wildfires in Australia, which were preceded by an unprecedented drought and extinguished by extreme rainfall that led to local flooding, present an opportunity to study the effects of multiple preceding hazards on flood hazard. All these hazards are individually affected by climate change, additionally complicating the interactions within the cascade. By estimating and analyzing the burn severity, rainfall magnitude, soil erosion and stream turbidity in differently affected tributaries of the Manning River catchment, the third study shows that even low magnitude floods can pose a substantial hazard within a cascade. This thesis shows that humanity is affecting flood hazard in multiple ways with spatially and temporarily varying consequences, many of which were previously neglected (e.g. flood synchrony scale, hazard cascades). To allow for informed decision making in risk management and climate change adaptation, it will be crucial to study these aspects across the globe and to project their trajectories into the future. The presented methods can depict the complex interactions of different flood drivers and their spatial variability, providing a basis for the assessment of future flood hazard changes. The role of land cover should be considered more in future flood risk modelling and management studies, while holistic, transferable frameworks for hazard cascade assessment will need to be designed. N2 - Flusshochwasser gehören zu den verheerendsten Naturkatastrophen weltweit. Ihre Entstehung hängt von klimatischen Bedingungen ab, weshalb vorhergesagt wird, dass sich ihre Magnituden und Häufigkeit durch den Klimawandel ändern werden. Daher ist es notwendig zu untersuchen, auf welche Art sich ein verändertes Klima - auch im Vergleich mit Effekten durch Landbedeckungsänderungen - auf Hochwasserentstehung und -gefahr auswirken könnte und das bereits getan hat. Diese kumulative Arbeit beleuchtet drei Teilaspekte dieses Themas. In der ersten Studie werden mittels maschinellen Lernens die wichtigsten Variablen entdeckt und untersucht, die die Änderungen von Hochwassermagnituden in 4390 Einzugsgebieten in den USA von 1960-2010 kontrolliert haben. Es wird gezeigt, dass Änderungen der Regenmengen der entscheidende Faktor waren, während Landnutzung regional von großer Bedeutung war. Die zweite Studie untersucht von 1960-2010 Änderungen in der Distanz innerhalb welcher Hochwasser in verschiedenen Flüssen gleichzeitig auftreten. Daten von 3872 europäischen Flusspegeln zeigen, dass sich die Fläche der gleichzeitigen Überflutung in Westeuropa vergrößert und in Osteuropa verkleinert hat, was auf abnehmende Relevanz der Schneeschmelze bei der Hochwasserentstehung zurückzuführen ist. Die dritte Studie behandelt die Auswirkungen kaskadierender Naturkatastrophen auf Hochwasser am Beispiel der australischen Waldbrände 2019/2020. Die Untersuchung der verschieden stark betroffenen Nebenflüsse des Manning River zeigt, dass in einer Naturgefahrenkaskade selbst gewöhnliche Hochwasser substantielle Auswirkungen haben können. Diese Arbeit zeigt, dass die Menschheit Hochwassergefahren auf verschiedene Arten und mit räumlich sowie zeitlich variablen Resultaten beeinflusst. Diese Aspekte müssen zukünftig global näher untersucht und ihre Entwicklung für die Zukunft modelliert werden, um fundierte Entscheidungen in Hochwasserschutz treffen zu können. Für Hochwassermagnituden und die Fläche gleichzeitiger Überflutung können hierfür die präsentierten Methoden adaptiert werden. KW - hydrology KW - climate change KW - flood KW - Hydrologie KW - Klimawandel KW - Hochwasser Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558564 ER - TY - THES A1 - Pilz, Tobias T1 - Pursuing the understanding of uncertainties in hydrological modelling N2 - Hydrological models are important tools for the simulation and quantification of the water cycle. They therefore aid in the understanding of hydrological processes, prediction of river discharge, assessment of the impacts of land use and climate changes, or the management of water resources. However, uncertainties associated with hydrological modelling are still large. While significant research has been done on the quantification and reduction of uncertainties, there are still fields which have gained little attention so far, such as model structural uncertainties that are related to the process implementations in the models. This holds especially true for complex process-based models in contrast to simpler conceptual models. Consequently, the aim of this thesis is to improve the understanding of structural uncertainties with focus on process-based hydrological modelling, including methods for their quantification. To identify common deficits of frequently used hydrological models and develop further strategies on how to reduce them, a survey among modellers was conducted. It was found that there is a certain degree of subjectivity in the perception of modellers, for instance with respect to the distinction of hydrological models into conceptual groups. It was further found that there are ambiguities on how to apply a certain hydrological model, for instance how many parameters should be calibrated, together with a large diversity of opinion regarding the deficits of models. Nevertheless, evapotranspiration processes are often represented in a more physically based manner, while processes of groundwater and soil water movement are often simplified, which many survey participants saw as a drawback. A large flexibility, for instance with respect to different alternative process implementations or a small number of parameters that needs to be calibrated, was generally seen as strength of a model. Flexible and efficient software, which is straightforward to apply, has been increasingly acknowledged by the hydrological community. This work further elaborated on this topic in a twofold way. First, a software package for semi-automated landscape discretisation has been developed, which serves as a tool for model initialisation. This was complemented by a sensitivity analysis of important and commonly used discretisation parameters, of which the size of hydrological sub-catchments as well as the size and number of hydrologically uniform computational units appeared to be more influential than information considered for the characterisation of hillslope profiles. Second, a process-based hydrological model has been implemented into a flexible simulation environment with several alternative process representations and a number of numerical solvers. It turned out that, even though computation times were still long, enhanced computational capabilities nowadays in combination with innovative methods for statistical analysis allow for the exploration of structural uncertainties of even complex process-based models, which up to now was often neglected by the modelling community. In a further study it could be shown that process-based models may even be employed as tools for seasonal operational forecasting. In contrast to statistical models, which are faster to initialise and to apply, process-based models produce more information in addition to the target variable, even at finer spatial and temporal scales, and provide more insights into process behaviour and catchment functioning. However, the process-based model was much more dependent on reliable rainfall forecasts. It seems unlikely that there exists a single best formulation for hydrological processes, even for a specific catchment. This supports the use of flexible model environments with alternative process representations instead of a single model structure. However, correlation and compensation effects between process formulations, their parametrisation, and other aspects such as numerical solver and model resolution, may lead to surprising results and potentially misleading conclusions. In future studies, such effects should be more explicitly addressed and quantified. Moreover, model functioning appeared to be highly dependent on the meteorological conditions and rainfall input generally was the most important source of uncertainty. It is still unclear, how this could be addressed, especially in the light of the aforementioned correlations. The use of innovative data products, e.g.\ remote sensing data in combination with station measurements, and efficient processing methods for the improvement of rainfall input and explicit consideration of associated uncertainties is advisable to bring more insights and make hydrological simulations and predictions more reliable. N2 - Hydrologische Modelle sind wichtige Werkzeuge zur Simulation und Quantifizierung des Wasserkreislaufs. Sie helfen bei der explorativen Analyse hydrologischer Prozesse, Abflussvorhersage, Abschätzung der Folgen von Klima- und Landnutzungswandel oder dem Management von Wasserressourcen. Allerdings sind die mit der hydrologischen Modellierung einhergehenden Unsicherheiten noch immer groß. Trotz der zahlreichen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Quantifizierung und Reduktion der Unsicherheiten gibt es einige Bereiche, die bisher wenig erforscht wurden, wie beispielsweise strukturelle Unsicherheiten, welche sich unter anderem auf die Prozessimplementation in den Modellen beziehen. Dies betrifft vor allem komplexe prozessbasierte Modelle im Gegensatz zu einfacheren konzeptionellen Modellen. Gegenstand dieser Arbeit ist es daher, das Verständnis struktureller Unsicherheiten sowie Methoden für deren Quantifizierung innerhalb prozessbasierter hydrologischer Modellanwendungen zu erweitern. Zur Identifikation typischer Defizite hydrologischer Modelle und Erarbeitung von Lösungsstrategien, um diese zu reduzieren, wurde eine Umfrage unter Modellanwendern durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass ein hohes Maß an Subjektivität in der Wahrnehmung des Themas unter Modellieren herrscht, beispielsweise bei der Einordnung hydrologischer Modelle in konzeptionelle Klassen. Des Weiteren gibt es Unklarheiten in der Art und Weise, wie ein bestimmtes hydrologisches Modell angewendet werden sollte, wie etwa hinsichtlich der Kalibrierung bestimmter Parameter, sowie vielschichtige Auffassungen bezüglich der Modelldefizite. Letztlich stellte sich jedoch heraus, dass Verdunstungsprozesse vor allem physikalisch basiert abgebildet werden, während Prozesse im Bereich des Grundwassers und der Bodenwasserbewegung häufig vereinfacht abgebildet werden, was von vielen Umfrageteilnehmern als Nachteil empfunden wurde. Generell als Stärke wurde die Flexibilität einiger Modelle empfunden, zum Beispiel wenn diese verschiedene Implementationen eines Prozesses enthalten oder wenn nur eine geringe Zahl an Parametern kalibriert werden muss. Flexible und effiziente Software, die darüber hinaus einfach zu bedienen ist, wird von der hydrologischen Gemeinschaft immer stärker in den Vordergrund gebracht. Daher greift diese Arbeit das Thema in zweifacher Hinsicht auf. Zum einen wurde ein Softwarepaket zur halbautomatischen Landschaftsdiskretisierung entwickelt, welches zudem als Werkzeug zur Modellinitialisierung gedacht ist. Damit einhergehend wurde eine Sensitivitätsanalyse wichtiger und häufig genutzter Diskretisierungsparameter durchgeführt, bei der die Größe hydrologischer Teileinzugsgebiete sowie die Anzahl und Größe hydrologischer Elementarflächen sich als maßgeblicher herausstellte als etwa raumbezogene Informationen zur Charakterisierung der Hangprofile. Zum anderen wurde ein prozessbasiertes hydrologisches Modell in eine flexible Softwareumgebung integriert, der verschiedene alternative Prozessformulierungen sowie numerische Differentialgleichungslöser hinzugefügt wurden. Die Analyse struktureller Unsicherheiten komplexer prozessbasierter Modelle wurde in der Vergangenheit von der hydrologischen Gemeinschaft mit Verweis auf zu lange Rechenzeit oft vernachlässigt. Es zeigte sich jedoch, dass die mittlerweile zur Verfügung stehenden Computerressourcen, vor allem in Kombination mit innovativen statistischen Analyseverfahren, derartige Untersuchungen bereits ermöglichen. In einer weiteren Studie konnte zudem gezeigt werden, dass auch prozessbasierte Modelle für den operationellen Einsatz in der saisonalen Vorhersage geeignet sind. Im Gegensatz zu statistischen Modellen, welche schneller initialisierbar und anwendbar sind, produzieren prozessbasierte Modelle neben der eigentlichen Zielgröße weitere potentiell relevante Informationen in höherer räumlicher und zeitlicher Auflösung und geben zudem tiefere Einblicke in die generelle Wirkungsweise der hydrologischen Prozesse in einem Einzugsgebiet. In der Studie stellte sich jedoch ebenso heraus, dass zuverlässige Niederschlagsvorhersagen für ein prozessbasiertes Modell umso wichtiger sind. Allgemein erscheint es unwahrscheinlich, dass eine einzelne optimale Implementation für einen hydrologischen Prozess, selbst innerhalb eines bestimmten Einzugsgebietes, überhaupt existiert. Die Nutzung flexibler Modellumgebungen mit alternativen Prozessbeschreibungen anstelle eines einzelnen Modells scheint deshalb große Vorteile zu bringen. Mögliche Korrelationen zwischen Prozessbeschreibungen, deren Parametrisierung, sowie anderen Aspekte wie numerischen Lösern und Modellauflösung, können jedoch zu überraschenden Ergebnissen und letztlich falschen Schlussfolgerungen führen. In zukünftigen Studien sollten solche Effekte daher explizit berücksichtigt und quantifiziert werden. Darüber hinaus wird die Leistungsfähigkeit eines Modells maßgeblich von den meteorologischen Randbedingungen beeinflusst. Vor allem der Niederschlag erwies sich innerhalb dieser Arbeit als wichtigste Ursache für Unsicherheiten in der Modellierung. Allerdings ist nicht vollständig klar, wie dieser Umstand berücksichtigt werden kann und inwiefern die zuvor genannten Korrelationen hier einen Einfluss haben. Die Nutzung innovativer Datenprodukte, zum Beispiel Fernerkundungsdaten verbunden mit Stationsmessungen, in Kombination mit effizienten Prozessierungsalgorithmen zur Verbesserung des Niederschlagsinputs und expliziten Beachtung einhergehender Unsicherheiten wird angeraten. Dies verspricht bessere Einblicke in die Zusammenhänge verschiedener Unsicherheitsquellen zu gewinnen und letztlich hydrologische Simulationen und Vorhersagen zuverlässiger zu machen. T2 - Beiträge zum Verständnis der Unsicherheiten in der hydrologischen Modellierung KW - hydrology KW - hydrological modelling KW - uncertainties KW - Hydrologie KW - hydrologische Modellierung KW - Unsicherheiten Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-476643 ER - 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 - Bäse, Frank T1 - Interception loss of changing land covers in the humid tropical lowland of Latin America T1 - Der Zusammenhang von Interzeptionsverlust und Landnutzungswandel im feucht-tropischen Flachland Latein Amerikas BT - A synthesis of experimental and modeling approaches BT - Eine Synthese aus experimentellem und modellgestütztem Ansatz N2 - Das Gebiet der feuchten Tropen ist die am stärksten durch den Landnutzungswandel betroffene Region der Erde. Vor allem die Rodung tropischer Wälder, um Platz für Rinderweiden oder den Anbau von Soja zu schaffen, aber auch seit jüngster Zeit die Bemühungen um Wiederaufforstungen prägen diesen Landnutzungswandel. Dabei beeinflusst die Änderung der Vegetationsbedeckung den regionalen Wasserhaushalt auf vielfältige Weise. Betroffen ist unter anderem die Verdunstung von feuchten Oberflächen. Die so genannte Interzeptionsverdunstung bzw. der Interzeptionsverlust trägt erheblich zum Wasserdampfgehalt in der unteren Atmosphäre und schließlich zur Niederschlagsbildung bei. Ziele dieser Dissertation waren (1) die experimentelle Untersuchung der Interzeptionsverlustunterschiede zwischen einem natürlichen, tropischen Wald und einer Sojaplantage im südlichen Amazonasgebiet, (2) die Modellierung des Interzeptionsverlustes dieser beiden Vegetationsformen im Vergleich zu einem jungen Sekundärwald unter dem Aspekt der Unsicherheiten bei der Ableitung notwendiger Modellparameter sowohl im Südamazonas als auch im Einzugsgebietes des Panamakanals sowie (3) die Wasserhaushaltsanalyse eines vom Landnutzungswandel geprägten Teileinzugsgebietes des Panamakanals in Hinblick auf die Veränderung der Interzeptionsverdunstung durch sich verändernde Landnutzung und der Änderung der klimatischen Bedingungen. Die Messung des Interzeptionsverlustes zeigte, dass in der Hauptwachstumsphase vom Soja von dessen Oberfläche mehr Wasserverdunstet als von der Oberfläche des Waldes. Allerdings ist in der Jahresbilanz der Interzeptionsverlust vom Wald höher, da diese Studie nur eine Momentaufnahme zur Zeit der vollen Vegetationsentwicklung des Sojas mit einem Zeitfenster von zwei Monaten widerspiegelt. Durch die geringere ganzjährige Verdunstung von den mit Soja bestandenen Flächen, wird hier der Niederschlag schneller dem Abfluss zugeführt und schell aus der Region ausgetragen. Somit trägt der Landnutzungswandel von Wald zu Soja zu einer mittelfristigen Reduktion des in der Region verfügbaren Wassers bei. Die anschließende Modellierung des Interzeptionsverlustes zeigte Einerseits einen starken Einfluss der Datenqualität auf die Plausibilität der Ergebnisse und Andererseits, dass die Sensitivität der einzelnen Parameter zwischen den Untersuchungsgebieten variiert. Eine Schlüsselrolle nimmt die Wasserspeicherkapazität der Vegetationskrone ein. Dennoch ist die Evaporationsrate die treibende Größe im Interzeptionsprozess, so dass von ihr die größte Unsicherheit ausgeht. Je nach verwendeter Methode zur Ableitung dieses Parameters unterscheiden sich die gewonnenen Parameterwerte erheblich. Die Wirkungsanalyse der Interzeptionsverdunstung auf den Wasserhaushalt im Wirkungsgeflecht der Änderungen von Temperatur, Niederschlag und Landnutzung im Landschaftsmosaik eines Flusseinzugsgebiets mit Hilfe eines Wasserhaushaltsmodels zeigte den Einfluss der Landnutzungsänderung auf die Abflussbildung mittels verschiedener Landnutzungsszenarien. Die Ergebnisse belegen, dass die Landnutzungsänderung im Gebiet nur einen geringen Einfluss auf den Jahresabfluss hat. Stärker scheint sich der gemessene Temperaturanstieg auf die Verdunstung auszuwirken. Der mit einer höheren Temperatur einhergehende Anstieg der Transpiration und Interzeptionsverdunstung gleicht die gemessene Zunahme des Gebietsniederschlages aus, sodass keine signifikanten Änderungen im Jahresabfluss nachgewiesen werden konnten. Die Ergebnisse der drei Studien verdeutlichen den Einfluss der Landnutzung auf die Interzeptionsverdunstung. Allerdings veranschaulichten die Resultate der Wasserhaushalts-modellierung, wie sehr dieser Einfluss durch die Veränderung der äußeren Rahmenbedingungen, vor allem durch den Anstieg der Temperatur, überprägt werden kann. Dies belegt, dass eine einfache Übertragung der Ergebnisse zwischen den Untersuchungsgebiet nicht möglich ist. Somit bleibt die experimentelle Erhebung von Vegetationsparametern sowie des Interzeptionsverlustes an den jeweils zu untersuchenden Standort für die Anwendung von Modellen unerlässlich. N2 - The humid tropics are the region with the highest rate of land-cover change worldwide. Especially prevalent is the deforestation of old-growth tropical forests to create space for cattle pastures and soybean fields. The regional water cycle is influenced by vegetation cover in various ways. Especially evapotranspiration considerably contributes to water vapor content in the lower atmosphere. Besides active transpiration by plants, evaporation from wetted plant surfaces further known as interception loss is an important supply of water vapor. Changes in interception loss due to change in land cover and the related consequences on the regional water cycle in the humid tropics of Latin America are the research focus of my thesis. (1) In an experimental setup I assess differences in interception loss between an old-growth tropical forest and a soybean plantation. (2) In a modeling study, I examine interception losses of these two vegetation types compared to a younger secondary forest with the use of the Gash interception model, including an uncertainty analysis for the estimation of the necessary model parameters. (3) Studying the water balance of a 192-km² catchment I disentangle the influences of changes in land cover and climatic factors on interception loss. The three different research sites in my thesis represent a currently typical spectrum for land-cover changes in Latin America. In the first example I study the consequences of deforestation of transitional forest, which forms the transition from the Brazilian tree savanna (cerrado) to tropical rain forest, for the establishment of soybean fields in the southern Amazon basin. The second study site is a young secondary forest within the “Agua Salud” project area in Panama as an example of reforestation of former pastures. The third study site is the Cirí Grande river catchment which comprises a mixture of young and old forests as well as pastures, which is typical for the southern sub-catchments of the Panama Canal. The experimental approach consists of the indirect estimation of interception loss by measuring throughfall and stem flow. For the first experimental study I measured throughfall as well as stem flow manually. Measurements of the leaf area index of the two land covers do not show distinct differences; hence it could not serve as an explanation for the differences in the measured interception loss. The considerably higher interception loss at the soybean field is attributed to a possible underestimation of stemflow but also to the stronger ventilation within the well-structured plant rows causing higher evaporation rates. This situation is valid only for two months of the rainy season, when soybean plants are fully developed. In the annual balance evapotranspiration at the soybean site is clearly less than at the forest site, accelerating the development of fast runoff components and consequently discharge. In the medium term, a reduction of water availability in the study area can be expected. For the modeling study, throughfall in a young secondary forest is sampled automatically. The resulting temporally high-resolution dataset allows the distinction between different precipitation and interception events. The core of this study is the sensitivity and uncertainty analysis of the Gash interception model parameters and the consequences for its results. Canopy storage capacity plays a key role for the model and parameter uncertainty. With increasing storage capacity uncertainty in parameter delineation also increases. Evaporation rate as the driving component of the interception process incorporates in this context the largest parameter uncertainty. Depending on the selected method for parameter estimation, parameter values may vary tremendously. In the third study, I analyze the influence of interception loss on the water balance of the Cirí Grande catchment, incorporating the interlinked effects of temperature, precipitation and changes of the land use mosaic using the SWAT (soil water assessment tool) model. Constructing several land-cover scenarios I assess their influence on the catchment’s discharge. The results show that land-cover change exerts only a small influence on annual discharge in the Cirí Grande catchment whereas an increase in temperature markedly influences evapotranspiration. The temperature-induced larger transpiration and interception loss balances the simultaneous increase in annual precipitation, such that the resulting changes in annual discharge are negligible. The results of the three studies show the considerable effect of land cover on interception. However, the magnitude of this effect can be masked by changes in local conditions, especially by an increase in temperature. Hence, the results cannot be transferred easily between the different study sites. For modeling purposes, this means that measurements of vegetation characteristics as well as interception loss at the respective sites are indispensable. KW - geoecology KW - interception KW - hydrology KW - Geoökologie KW - Interzeptionsverdunstung KW - Hydrologie KW - Lateinamerika KW - Latin America Y1 - 2016 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 - TY - THES A1 - Reusser, Dominik Edwin T1 - Combining smart model diagnostics and effective data collection for snow catchments T1 - Zeitlich aufgelöste Modelldiagnose und kosteneffektive Messungen für Schneeeinzugsgebiete N2 - Complete protection against flood risks by structural measures is impossible. Therefore flood prediction is important for flood risk management. Good explanatory power of flood models requires a meaningful representation of bio-physical processes. Therefore great interest exists to improve the process representation. Progress in hydrological process understanding is achieved through a learning cycle including critical assessment of an existing model for a given catchment as a first step. The assessment will highlight deficiencies of the model, from which useful additional data requirements are derived, giving a guideline for new measurements. These new measurements may in turn lead to improved process concepts. The improved process concepts are finally summarized in an updated hydrological model. In this thesis I demonstrate such a learning cycle, focusing on the advancement of model evaluation methods and more cost effective measurements. For a successful model evaluation, I propose that three questions should be answered: 1) when is a model reproducing observations in a satisfactory way? 2) If model results deviate, of what nature is the difference? And 3) what are most likely the relevant model components affecting these differences? To answer the first two questions, I developed a new method to assess the temporal dynamics of model performance (or TIGER - TIme series of Grouped Errors). This method is powerful in highlighting recurrent patterns of insufficient model behaviour for long simulation periods. I answered the third question with the analysis of the temporal dynamics of parameter sensitivity (TEDPAS). For calculating TEDPAS, an efficient method for sensitivity analysis is necessary. I used such an efficient method called Fourier Amplitude Sensitivity Test, which has a smart sampling scheme. Combining the two methods TIGER and TEDPAS provided a powerful tool for model assessment. With WaSiM-ETH applied to the Weisseritz catchment as a case study, I found insufficient process descriptions for the snow dynamics and for the recession during dry periods in late summer and fall. Focusing on snow dynamics, reasons for poor model performance can either be a poor representation of snow processes in the model, or poor data on snow cover, or both. To obtain an improved data set on snow cover, time series of snow height and temperatures were collected with a cost efficient method based on temperature measurements on multiple levels at each location. An algorithm was developed to simultaneously estimate snow height and cold content from these measurements. Both, snow height and cold content are relevant quantities for spring flood forecasting. Spatial variability was observed at the local and the catchment scale with an adjusted sampling design. At the local scale, samples were collected on two perpendicular transects of 60 m length and analysed with geostatistical methods. The range determined from fitted theoretical variograms was within the range of the sampling design for 80% of the plots. No patterns were found, that would explain the random variability and spatial correlation at the local scale. At the watershed scale, locations of the extensive field campaign were selected according to a stratified sample design to capture the combined effects of elevation, aspect and land use. The snow height is mainly affected by the plot elevation. The expected influence of aspect and land use was not observed. To better understand the deficiencies of the snow module in WaSiM-ETH, the same approach, a simple degree day model was checked for its capability to reproduce the data. The degree day model was capable to explain the temporal variability for plots with a continuous snow pack over the entire snow season, if parameters were estimated for single plots. However, processes described in the simple model are not sufficient to represent multiple accumulation-melt-cycles, as observed for the lower catchment. Thus, the combined spatio-temporal variability at the watershed scale is not captured by the model. Further tests on improved concepts for the representation of snow dynamics at the Weißeritz are required. From the data I suggest to include at least rain on snow and redistribution by wind as additional processes to better describe spatio-temporal variability. Alternatively an energy balance snow model could be tested. Overall, the proposed learning cycle is a useful framework for targeted model improvement. The advanced model diagnostics is valuable to identify model deficiencies and to guide field measurements. The additional data collected throughout this work helps to get a deepened understanding of the processes in the Weisseritz catchment. N2 - Modelle zur Hochwasservorhersage und –warnung basieren auf einer bio-physikalisch Repräsentation der relevanten hydrologischen Prozesse. Eine Verbesserungen der Beschreibung dieser Prozesse kann zuverlässigere Vorhersagen ermöglichen. Dazu wird die Benutzung eines Lernzykluses bestehend aus einer kritische Beurteilung eines existierenden Modells, der Erhebung zusätzlicher Daten, der Bildung eines vertieften Verständnis und einer Überarbeitung des Modells vorgeschlagen. In dieser Arbeit wird ein solcher Lernzyklus aufgegriffen, wobei der Schwerpunkt auf einer verbesserten Modellanalyse und kosteneffizientere Messungen liegt. Für eine erfolgreiche Modellbeurteilung sind drei Fragen zu beantworten: 1) Wann reproduziert ein Modell die beobachteten Werte in einer zufriedenstellenden Weise (nicht)? 2) Wie lassen sich die Abweichungen charakterisieren? und 3) welches sind die Modellkomponenten, die diese Abweichungen bedingen? Um die ersten beiden Fragen zu beantworten, wird eine neue Methode zur Beurteilung des zeitlichen Verlaufs der Modellgüte vorgestellt. Eine wichtige Stärke ist, dass wiederholende Muster ungenügender Modellgüte auch für lange Simulationsläufe einfach identifiziert werden können. Die dritte Frage wird durch die Analyse des zeitlichen Verlaufs der Parametersensitivität beantwortet. Eine Kombination der beiden Methoden zur Beantwortung aller drei Fragen stellt ein umfangreiches Werkzeug für die Analyse hydrologischer Modelle zur Verfügung. Als Fallstudie wurde WaSiM-ETH verwendet, um das Einzugsgebiet der wilden Weißeritz zu modellieren. Die Modellanalyse von WaSiM-ETH hat ergeben, dass die Schneedynamik und die Rezession während trockener Perioden im Spätsommer und Herbst, für eine Beschreibung der Prozesse an der Weißeritz nicht geeignet sind. Die Erhebung zusätzlicher Daten zum besseren Verständnis der Schneedynamik bildet den nächste Schritt im Lernzyklus. Daten über Schneetemperaturen und Schneehöhen wurden mit Hilfe eines neuen, preisgünstigen Verfahrens erhoben. Dazu wurde die Temperatur an jedem Standort mit unterschiedlichen Abständen zum Boden gemessen und mit einem neuen Algorithmus in Schneehöhe und Kältegehalt umgerechnet. Die Schneehöhe und Kältegehalt sind wichtige Größen für die Vorhersage von Frühjahrshochwassern. Die räumliche Variabilität der Schneedecke auf der Einzugsgebietsskala wurde entsprechend der Landnutzung, der Höhenzone und der Ausrichtung stratifiziert untersucht, wobei lediglich der Einfluss der Höhe nachgewiesen werden konnte, während Ausrichtung und Landnutzung keinen statistisch signifikanten Einfluss hatten. Um die Defizite des WaSiM-ETH Schneemodules für die Beschreibung der Prozesse im Weißeritzeinzugsgebiets besser zu verstehen, wurde der gleiche konzeptionelle Ansatz als eigenständiges, kleines Modell benutzt, um die Dynamik in den Schneedaten zu reproduzieren. Während dieses Grad-Tag-Modell in der Lage war, den zeitlichen Verlauf für Flächen mit einer kontinuierlichen Schneedecke zu reproduzieren, konnte die Dynamik für Flächen mit mehreren Akkumulations- und Schmelzzyklen im unteren Einzugsgebiet vom Modell nicht abgebildet werden. Vorschläge zur Verbesserung des Modells werden in der Arbeit gemacht. Zusammenfassend hat sich das Lernzyklus-Konzept als nützlich erwiesen, um gezielt an einer Modellverbesserung zu arbeiten. Die differenzierte Modelldiagnose ist wertvoll, um Defizite im Modellkonzept zu identifizieren. Die während dieser Studie erhobenen Daten sind geeignet, um ein verbessertes Verständnis der Schnee-Prozesse an der Weißeritz zu erlangen. KW - Hydrologie KW - Modellierung KW - Modell Diagnose KW - Schnee KW - Sensitivitätsanalyse KW - hydrology KW - modelling KW - model diagnostics KW - snow KW - sensitivity analysis Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52574 ER - TY - THES A1 - Güntner, Andreas T1 - Large-scale hydrological modelling in the semi-arid north-east of Brazil N2 - Semi-arid areas are, due to their climatic setting, characterized by small water resources. An increasing water demand as a consequence of population growth and economic development as well as a decreasing water availability in the course of possible climate change may aggravate water scarcity in future, which often exists already for present-day conditions in these areas. Understanding the mechanisms and feedbacks of complex natural and human systems, together with the quantitative assessment of future changes in volume, timing and quality of water resources are a prerequisite for the development of sustainable measures of water management to enhance the adaptive capacity of these regions. For this task, dynamic integrated models, containing a hydrological model as one component, are indispensable tools. The main objective of this study is to develop a hydrological model for the quantification of water availability in view of environmental change over a large geographic domain of semi-arid environments. The study area is the Federal State of Ceará (150 000 km2) in the semi-arid north-east of Brazil. Mean annual precipitation in this area is 850 mm, falling in a rainy season with duration of about five months. Being mainly characterized by crystalline bedrock and shallow soils, surface water provides the largest part of the water supply. The area has recurrently been affected by droughts which caused serious economic losses and social impacts like migration from the rural regions. The hydrological model Wasa (Model of Water Availability in Semi-Arid Environments) developed in this study is a deterministic, spatially distributed model being composed of conceptual, process-based approaches. Water availability (river discharge, storage volumes in reservoirs, soil moisture) is determined with daily resolution. Sub-basins, grid cells or administrative units (municipalities) can be chosen as spatial target units. The administrative units enable the coupling of Wasa in the framework of an integrated model which contains modules that do not work on the basis of natural spatial units. The target units mentioned above are disaggregated in Wasa into smaller modelling units within a new multi-scale, hierarchical approach. The landscape units defined in this scheme capture in particular the effect of structured variability of terrain, soil and vegetation characteristics along toposequences on soil moisture and runoff generation. Lateral hydrological processes at the hillslope scale, as reinfiltration of surface runoff, being of particular importance in semi-arid environments, can thus be represented also within the large-scale model in a simplified form. Depending on the resolution of available data, small-scale variability is not represented explicitly with geographic reference in Wasa, but by the distribution of sub-scale units and by statistical transition frequencies for lateral fluxes between these units. Further model components of Wasa which respect specific features of semi-arid hydrology are: (1) A two-layer model for evapotranspiration comprises energy transfer at the soil surface (including soil evaporation), which is of importance in view of the mainly sparse vegetation cover. Additionally, vegetation parameters are differentiated in space and time in dependence on the occurrence of the rainy season. (2) The infiltration module represents in particular infiltration-excess surface runoff as the dominant runoff component. (3) For the aggregate description of the water balance of reservoirs that cannot be represented explicitly in the model, a storage approach respecting different reservoirs size classes and their interaction via the river network is applied. (4) A model for the quantification of water withdrawal by water use in different sectors is coupled to Wasa. (5) A cascade model for the temporal disaggregation of precipitation time series, adapted to the specific characteristics of tropical convective rainfall, is applied for the generating rainfall time series of higher temporal resolution. All model parameters of Wasa can be derived from physiographic information of the study area. Thus, model calibration is primarily not required. Model applications of Wasa for historical time series generally results in a good model performance when comparing the simulation results of river discharge and reservoir storage volumes with observed data for river basins of various sizes. The mean water balance as well as the high interannual and intra-annual variability is reasonably represented by the model. Limitations of the modelling concept are most markedly seen for sub-basins with a runoff component from deep groundwater bodies of which the dynamics cannot be satisfactorily represented without calibration. Further results of model applications are: (1) Lateral processes of redistribution of runoff and soil moisture at the hillslope scale, in particular reinfiltration of surface runoff, lead to markedly smaller discharge volumes at the basin scale than the simple sum of runoff of the individual sub-areas. Thus, these processes are to be captured also in large-scale models. The different relevance of these processes for different conditions is demonstrated by a larger percentage decrease of discharge volumes in dry as compared to wet years. (2) Precipitation characteristics have a major impact on the hydrological response of semi-arid environments. In particular, underestimated rainfall intensities in the rainfall input due to the rough temporal resolution of the model and due to interpolation effects and, consequently, underestimated runoff volumes have to be compensated in the model. A scaling factor in the infiltration module or the use of disaggregated hourly rainfall data show good results in this respect. The simulation results of Wasa are characterized by large uncertainties. These are, on the one hand, due to uncertainties of the model structure to adequately represent the relevant hydrological processes. On the other hand, they are due to uncertainties of input data and parameters particularly in view of the low data availability. Of major importance is: (1) The uncertainty of rainfall data with regard to their spatial and temporal pattern has, due to the strong non-linear hydrological response, a large impact on the simulation results. (2) The uncertainty of soil parameters is in general of larger importance on model uncertainty than uncertainty of vegetation or topographic parameters. (3) The effect of uncertainty of individual model components or parameters is usually different for years with rainfall volumes being above or below the average, because individual hydrological processes are of different relevance in both cases. Thus, the uncertainty of individual model components or parameters is of different importance for the uncertainty of scenario simulations with increasing or decreasing precipitation trends. (4) The most important factor of uncertainty for scenarios of water availability in the study area is the uncertainty in the results of global climate models on which the regional climate scenarios are based. Both a marked increase or a decrease in precipitation can be assumed for the given data. Results of model simulations for climate scenarios until the year 2050 show that a possible future change in precipitation volumes causes a larger percentage change in runoff volumes by a factor of two to three. In the case of a decreasing precipitation trend, the efficiency of new reservoirs for securing water availability tends to decrease in the study area because of the interaction of the large number of reservoirs in retaining the overall decreasing runoff volumes. N2 - Semiaride Gebiete sind auf Grund der klimatischen Bedingungen durch geringe Wasserressourcen gekennzeichnet. Ein zukünftig steigender Wasserbedarf in Folge von Bevölkerungswachstum und ökonomischer Entwicklung sowie eine geringere Wasserverfügbarkeit durch mögliche Klimaänderungen können dort zu einer Verschärfung der vielfach schon heute auftretenden Wasserknappheit führen. Das Verständnis der Mechanismen und Wechselwirkungen des komplexen Systems von Mensch und Umwelt sowie die quantitative Bestimmung zukünftiger Veränderungen in der Menge, der zeitlichen Verteilung und der Qualität von Wasserressourcen sind eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung von nachhaltigen Maßnahmen des Wassermanagements mit dem Ziel einer höheren Anpassungsfähigkeit dieser Regionen gegenüber künftigen Änderungen. Hierzu sind dynamische integrierte Modelle unerlässlich, die als eine Komponente ein hydrologisches Modell beinhalten. Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist daher die Erstellung eines hydrologischen Modells zur großräumigen Bestimmung der Wasserverfügbarkeit unter sich ändernden Umweltbedingungen in semiariden Gebieten. Als Untersuchungsraum dient der im semiariden tropischen Nordosten Brasiliens gelegene Bundestaat Ceará (150 000 km2). Die mittleren Jahresniederschläge in diesem Gebiet liegen bei 850 mm innerhalb einer etwa fünfmonatigen Regenzeit. Mit vorwiegend kristallinem Grundgebirge und geringmächtigen Böden stellt Oberflächenwasser den größten Teil der Wasserversorgung bereit. Die Region war wiederholt von Dürren betroffen, die zu schweren ökonomischen Schäden und sozialen Folgen wie Migration aus den ländlichen Gebieten geführt haben. Das hier entwickelte hydrologische Modell Wasa (Model of Water Availability in Semi-Arid Environments) ist ein deterministisches, flächendifferenziertes Modell, das aus konzeptionellen, prozess-basierten Ansätzen aufgebaut ist. Die Wasserverfügbarkeit (Abfluss im Gewässernetz, Speicherung in Stauseen, Bodenfeuchte) wird mit täglicher Auflösung bestimmt. Als räumliche Zieleinheiten können Teileinzugsgebiete, Rasterzellen oder administrative Einheiten (Gemeinden) gewählt werden. Letztere ermöglichen die Kopplung des Modells im Rahmen der integrierten Modellierung mit Modulen, die nicht auf der Basis natürlicher Raumeinheiten arbeiten. Im Rahmen eines neuen skalenübergreifenden, hierarchischen Ansatzes werden in Wasa die genannten Zieleinheiten in kleinere räumliche Modellierungseinheiten unterteilt. Die ausgewiesenen Landschaftseinheiten erfassen insbesondere die strukturierte Variabilität von Gelände-, Boden- und Vegetationseigenschaften entlang von Toposequenzen in ihrem Einfluss auf Bodenfeuchte und Abflussbildung. Laterale hydrologische Prozesse auf kleiner Skala, wie die für semiaride Bedingungen bedeutsame Wiederversickerung von Oberflächenabfluss, können somit auch in der erforderlichen großskaligen Modellanwendung vereinfacht wiedergegeben werden. In Abhängigkeit von der Auflösung der verfügbaren Daten wird in Wasa die kleinskalige Variabilität nicht räumlich explizit sondern über die Verteilung von Flächenanteilen subskaliger Einheiten und über statistische Übergangshäufigkeiten für laterale Flüsse zwischen den Einheiten berücksichtigt. Weitere Modellkomponenten von Wasa, die spezifische Bedingungen semiarider Gebiete berücksichtigen, sind: (1) Ein Zwei-Schichten-Modell zur Bestimmung der Evapotranspiration berücksichtigt auch den Energieumsatz an der Bodenoberfläche (inklusive Bodenverdunstung), der in Anbetracht der meist lichten Vegetationsbedeckung von Bedeutung ist. Die Vegetationsparameter werden zudem flächen- und zeitdifferenziert in Abhängigkeit vom Auftreten der Regenzeit modifiziert. (2) Das Infiltrationsmodul bildet insbesondere Oberflächenabfluss durch Infiltrationsüberschuss als dominierender Abflusskomponente ab. (3) Zur aggregierten Beschreibung der Wasserbilanz von im Modell nicht einzeln erfassbaren Stauseen wird ein Speichermodell unter Berücksichtigung verschiedener Größenklassen und ihrer Interaktion über das Gewässernetz eingesetzt. (4) Ein Modell zur Bestimmung der Entnahme durch Wassernutzung in verschiedenen Sektoren ist an Wasa gekoppelt. (5) Ein Kaskadenmodell zur zeitlichen Disaggregierung von Niederschlagszeitreihen, das in dieser Arbeit speziell für tropische konvektive Niederschlagseigenschaften angepasst wird, wird zur Erzeugung höher aufgelöster Niederschlagsdaten verwendet. Alle Modellparameter von Wasa können von physiographischen Gebietsinformationen abgeleitet werden, sodass eine Modellkalibrierung primär nicht erforderlich ist. Die Modellanwendung von Wasa für historische Zeitreihen ergibt im Allgemeinen eine gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse für Abfluss und Stauseespeichervolumen mit Beobachtungsdaten in unterschiedlich großen Einzugsgebieten. Die mittlere Wasserbilanz sowie die hohe monatliche und jährliche Variabilität wird vom Modell angemessen wiedergegeben. Die Grenzen der Anwendbarkeit des Modell-konzepts zeigen sich am deutlichsten in Teilgebieten mit Abflusskomponenten aus tieferen Grundwasserleitern, deren Dynamik ohne Kalibrierung nicht zufriedenstellend abgebildet werden kann. Die Modellanwendungen zeigen weiterhin: (1) Laterale Prozesse der Umverteilung von Bodenfeuchte und Abfluss auf der Hangskala, vor allem die Wiederversickerung von Oberflächenabfluss, führen auf der Skala von Einzugsgebieten zu deutlich kleineren Abflussvolumen als die einfache Summe der Abflüsse der Teilflächen. Diese Prozesse sollten daher auch in großskaligen Modellen abgebildet werden. Die unterschiedliche Ausprägung dieser Prozesse für unterschiedliche Bedingungen zeigt sich an Hand einer prozentual größeren Verringerung der Abflussvolumen in trockenen im Vergleich zu feuchten Jahren. (2) Die Niederschlagseigenschaften haben einen sehr großen Einfluss auf die hydrologische Reaktion in semiariden Gebieten. Insbesondere die durch die grobe zeitliche Auflösung des Modells und durch Interpolationseffekte unterschätzten Niederschlagsintensitäten in den Eingangsdaten und die daraus folgende Unterschätzung von Abflussvolumen müssen im Modell kompensiert werden. Ein Skalierungsfaktor in der Infiltrationsroutine oder die Verwendung disaggregierter stündlicher Niederschlagsdaten zeigen hier gute Ergebnisse. Die Simulationsergebnisse mit Wasa sind insgesamt durch große Unsicherheiten gekennzeichnet. Diese sind einerseits in Unsicherheiten der Modellstruktur zur adäquaten Beschreibung der relevanten hydrologischen Prozesse begründet, andererseits in Daten- und Parametersunsicherheiten in Anbetracht der geringen Datenverfügbarkeit. Von besonderer Bedeutung ist: (1) Die Unsicherheit der Niederschlagsdaten in ihrem räumlichen Muster und ihrer zeitlichen Struktur hat wegen der stark nicht-linearen hydrologischen Reaktion einen großen Einfluss auf die Simulationsergebnisse. (2) Die Unsicherheit von Bodenparametern hat im Vergleich zu Vegetationsparametern und topographischen Parametern im Allgemeinen einen größeren Einfluss auf die Modellunsicherheit. (3) Der Effekt der Unsicherheit einzelner Modellkomponenten und -parameter ist für Jahre mit unter- oder überdurchschnittlichen Niederschlagsvolumen zumeist unterschiedlich, da einzelne hydrologische Prozesse dann jeweils unterschiedlich relevant sind. Die Unsicherheit einzelner Modellkomponenten- und parameter hat somit eine unterschiedliche Bedeutung für die Unsicherheit von Szenarienrechnungen mit steigenden oder fallenden Niederschlagstrends. (4) Der bedeutendste Unsicherheitsfaktor für Szenarien der Wasserverfügbarkeit für die Untersuchungsregion ist die Unsicherheit der den regionalen Klimaszenarien zu Grunde liegenden Ergebnisse globaler Klimamodelle. Eine deutliche Zunahme oder Abnahme der Niederschläge bis 2050 kann gemäß den hier vorliegenden Daten für das Untersuchungsgebiet gleichermaßen angenommen werden. Modellsimulationen für Klimaszenarien bis zum Jahr 2050 ergeben, dass eine mögliche zukünftige Veränderung der Niederschlagsmengen zu einer prozentual zwei- bis dreifach größeren Veränderung der Abflussvolumen führt. Im Falle eines Trends von abnehmenden Niederschlagsmengen besteht in der Untersuchungsregion die Tendenz, dass auf Grund der gegenseitigen Beeinflussung der großen Zahl von Stauseen beim Rückhalt der tendenziell abnehmenden Abflussvolumen die Effizienz von neugebauten Stauseen zur Sicherung der Wasserverfügbarkeit zunehmend geringer wird. KW - Ceará / Semiarides Gebiet / Wasserreserve / Hydrologie / Mathematisches Modell KW - Hydrologie KW - Wasserverfügbarkeit KW - Klimaänderung KW - Niederschlag-Abfluss-Modellierung KW - Trockengebiet KW - semi-arid KW - Unsicherheiten KW - Brasilien KW - hydrology KW - water availability KW - climate change KW - rainfall-runoff modelling KW - drylands KW - semi-arid KW - uncertainties KW - Brazil Y1 - 2002 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000511 ER -