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  - GEN
A1  - Klein, Konstantin
A1  - Lantuit, Hugues
A1  - Rolph, Rebecca
T1  - Drivers of Turbidity and Its Seasonal Variability at Herschel Island Qikiqtaruk (Western Canadian Arctic)
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - The Arctic is greatly affected by climate change. Increasing air temperatures drive permafrost thaw and an increase in coastal erosion and river discharge. This results in a greater input of sediment and organic matter into nearshore waters, impacting ecosystems by reducing light transmission through the water column and altering biogeochemistry. This potentially results in impacts on the subsistence economy of local people as well as the climate due to the transformation of suspended organic matter into greenhouse gases. Even though the impacts of increased suspended sediment concentrations and turbidity in the Arctic nearshore zone are well-studied, the mechanisms underpinning this increase are largely unknown. Wave energy and tides drive the level of turbidity in the temperate and tropical parts of the world, and this is generally assumed to also be the case in the Arctic. However, the tidal range is considerably lower in the Arctic, and processes related to the occurrence of permafrost have the potential to greatly contribute to nearshore turbidity. In this study, we use high-resolution satellite imagery alongside in situ and ERA5 reanalysis data of ocean and climate variables in order to identify the drivers of nearshore turbidity, along with its seasonality in the nearshore waters of Herschel Island Qikiqtaruk, in the western Canadian Arctic. Nearshore turbidity correlates well to wind direction, wind speed, significant wave height, and wave period. Nearshore turbidity is superiorly correlated to wind speed at the Beaufort Shelf compared to in situ measurements at Herschel Island Qikiqtaruk, showing that nearshore turbidity, albeit being of limited spatial extent, is influenced by large-scale weather and ocean phenomenons. We show that, in contrast to the temperate and tropical ocean, freshly eroded material is the predominant driver of nearshore turbidity in the Arctic, rather than resuspension, which is caused by the vulnerability of permafrost coasts to thermo-erosion.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1270 
KW  - ocean color remote sensing
KW  - Arctic ocean
KW  - suspended sediment
KW  - Landsat
KW  - Sentinel 2
KW  - ERA5
KW  - nearshore zone
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561765
SN  - 1866-8372
SP  - 1
EP  - 13
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Klein, Konstantin
A1  - Lantuit, Hugues
A1  - Rolph, Rebecca
T1  - Drivers of Turbidity and Its Seasonal Variability at Herschel Island Qikiqtaruk (Western Canadian Arctic)
JF  - Water / Molecular Diversity Preservation International (MDPI)
N2  - The Arctic is greatly affected by climate change. Increasing air temperatures drive permafrost thaw and an increase in coastal erosion and river discharge. This results in a greater input of sediment and organic matter into nearshore waters, impacting ecosystems by reducing light transmission through the water column and altering biogeochemistry. This potentially results in impacts on the subsistence economy of local people as well as the climate due to the transformation of suspended organic matter into greenhouse gases. Even though the impacts of increased suspended sediment concentrations and turbidity in the Arctic nearshore zone are well-studied, the mechanisms underpinning this increase are largely unknown. Wave energy and tides drive the level of turbidity in the temperate and tropical parts of the world, and this is generally assumed to also be the case in the Arctic. However, the tidal range is considerably lower in the Arctic, and processes related to the occurrence of permafrost have the potential to greatly contribute to nearshore turbidity. In this study, we use high-resolution satellite imagery alongside in situ and ERA5 reanalysis data of ocean and climate variables in order to identify the drivers of nearshore turbidity, along with its seasonality in the nearshore waters of Herschel Island Qikiqtaruk, in the western Canadian Arctic. Nearshore turbidity correlates well to wind direction, wind speed, significant wave height, and wave period. Nearshore turbidity is superiorly correlated to wind speed at the Beaufort Shelf compared to in situ measurements at Herschel Island Qikiqtaruk, showing that nearshore turbidity, albeit being of limited spatial extent, is influenced by large-scale weather and ocean phenomenons. We show that, in contrast to the temperate and tropical ocean, freshly eroded material is the predominant driver of nearshore turbidity in the Arctic, rather than resuspension, which is caused by the vulnerability of permafrost coasts to thermo-erosion.
KW  - ocean color remote sensing
KW  - Arctic ocean
KW  - suspended sediment
KW  - Landsat
KW  - Sentinel 2
KW  - ERA5
KW  - nearshore zone
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3390/w14111751
SN  - 2073-4441
VL  - 14
SP  - 1
EP  - 13
PB  - MDPI
CY  - Basel, Schweiz
ET  - 11
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grosse, Peter
T1  - Modellierung der Sedimentdynamik im Rofental, Ötztaler Alpen, unter Verwendung eines nichtparametrischen Modells
N2  - The continued melting of glaciers releases more sediment deposits, making them more susceptible to erosion. Increased sediment discharge rates endanger water quality and water supply due to reservoir siltation. In order to better understand these hazards and their evolvement, erosion processes need to be studied, especially in high alpine catchment areas. In this bachelor thesis, sediment concentrations as well as other environmental variables, such as discharge, precipitation and temperature, were measured in the Rofental catchment (Ötztal Alps) and in a highly glaciated sub-catchment of the Rofental. The quantile regression forest machine learning technique was applied to determine the correlation between sediment concentration and ancillary variables. The variables were aggregated to different levels, which allowed past hydroclimatic conditions to be taken into account. Considering the knowledge regarding the influence of these environment variables, the sediment concentration could be retrospectively simulated using a Monte Carlo approach. The resulting continuous time series was used to calculate the annual sediment export rates. The turbidity, as an indicator for the sediment concentration, was measured as well. By determining the correlation between the modelled data and the measured turbidity, the significance of the model could be assessed. The results show that the quantile regression forest model is a suitable approach to reconstruct the sediment dynamics in the Rofental. It further emerged that the discharge has a great impact on the sediment concentration in both catchments, with the relevance of the other variables varying widely between both study areas. The correlation between the measured turbidity and the simulated sediment concentration is strongly positive, whereby debris flows, measurement errors and the rinse of new sediment reservoirs deteriorated the model’s performance.
N2  - Durch das anhaltende Rückschmelzen von Gletschern werden mehr Sedimentdepots freigesetzt, wodurch diese anfälliger für Erosion werden. Erhöhte Sedimentaustragsraten gefährden die Wasserqualität sowie die Wasserversorgung durch Stauraumverlandung. Um diese Gefahren und deren Abläufe besser verstehen zu können, müssen Erosionsprozesse vor allem in hochalpinen Einzugsgebieten erforscht werden. In dieser Bachelorarbeit wurden Sedimentkonzentrationen sowie weitere Umgebungsvariablen (Abfluss, Niederschlag und Temperatur) im Rofental, Ötztaler Alpen und in einem stark vergletscherten Teileinzugsgebiet des Rofentals gemessen. Um den Zusammenhang zwischen der Sedimentkonzentration und den gemessenen Umgebungsbedingungen zu ermitteln, wurde das Quantile Regression Forest Modell verwendet. Dabei wurden die Variablen zu unterschiedlichen Zeitstufen aggregiert, wodurch vergangene hydroklimatische Bedingungen berücksichtigt werden konnten. Mit der Kenntnis über den Einfluss der verschiedenen Einflussfaktoren konnte die Sedimentkonzentration rückwirkend mithilfe eines Monte Carlo Ansatzes kontinuierlich modelliert werden, wodurch Aussagen über die jährlichen Sedimentexportraten getätigt werden konnten. Weiterhin wurde auch die Trübung, welche als Indikator für die Sedimentkonzentration angesehen werden kann, gemessen. Durch die Bestimmung der Korrelation zwischen modellierten Daten und der gemessenen Trübung konnte der Aussagegehalt des Modells beurteilt werden. Es konnte gezeigt werden, dass das Quantile Regression Forest Modell geeignet ist, um die Sedimentdynamik im Rofental zu rekonstruieren. Es stellte sich weiterhin heraus, dass der Abfluss in beiden Untersuchungsgebieten den größten Einfluss auf die Sedimentdynamik hat, wobei sich die Relevanz verschiedener Variablen in beiden Untersuchungsgebieten stark unterschied. Gemessene Trübungsdaten und die modellierten Sedimentkonzentrationen korrelierten stark positiv, wobei Murgänge, Messfehler und die Anzapfung neuer Sedimentdepots zur Verschlechterung der Modellgüte führten.
KW  - Erosion
KW  - suspended sediment
KW  - Rofental
KW  - quantile regression forest
KW  - Sedimentdynamik
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-506695
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Tolorza, Violeta
A1  - Mohr, Christian Heinrich
A1  - Carretier, Sebastien
A1  - Serey, Amador
A1  - Sepulveda, Sergio A.
A1  - Tapia, Joseline
A1  - Pinto, Luisa
T1  - Suspended sediments in chilean rivers reveal low postseismic erosion after the maule earthquake (Mw 8.8) during a severe drought
JF  - Journal of geophysical research : Earth surface
N2  - We address the question of whether all large-magnitude earthquakes produce an erosion peak in the subaerial components of fluvial catchments. We evaluate the sediment flux response to the Maule earthquake in the Chilean Andes (Mw 8.8) using daily suspended sediment records from 31 river gauges. The catchments cover drainage areas of 350 to around 10,000 km(2), including a wide range of topographic slopes and vegetation cover of the Andean western flank. We compare the 3- to 8-year postseismic record of sediment flux to each of the following preseismic periods: (1) all preseismic data, (2) a 3-year period prior to the seismic event, and (3) the driest preseismic periods, as drought conditions prevailed in the postseismic period. Following the earthquake, no increases in suspended sediment flux were observed for moderate to high percentiles of the streamflow distribution (mean, median, and >= 75th percentile). However, more than half of the examined stations showed increased sediment flux during baseflow. By using a Random Forest approach, we evaluate the contributions of seismic intensities, peak ground accelerations, co-seismic landslides, hydroclimatic conditions, topography, lithology, and land cover to explain the observed changes in suspended sediment concentration and fluxes. We find that the best predictors are hillslope gradient, low-vegetation cover, and changes in streamflow discharge. This finding suggests a combined first-order control of topography, land cover, and hydrology on the catchment-wide erosion response. We infer a reduced sediment connectivity due to the postseismic drought, which increased the residence time of sediment detached and remobilized following the Maule earthquake.
KW  - earthquake
KW  - suspended sediment
KW  - Maule megathrust
KW  - Chile
KW  - catchment
Y1  - 2019
U6  - https://doi.org/10.1029/2018JF004766
SN  - 2169-9003
SN  - 2169-9011
VL  - 124
IS  - 6
SP  - 1378
EP  - 1397
PB  - American Geophysical Union
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Zimmermann, Beate
A1  - Zimmermann, Alexander
A1  - Turner, Benjamin L.
A1  - Francke, Till
A1  - Elsenbeer, Helmut
T1  - Connectivity of overland flow by drainage network expansion in a rain forest catchment
JF  - Water resources research
N2  - Soils in various places of the Panama Canal Watershed feature a low saturated hydraulic conductivity (K-s) at shallow depth, which promotes overland-flow generation and associated flashy catchment responses. In undisturbed forests of these areas, overland flow is concentrated in flow lines that extend the channel network and provide hydrological connectivity between hillslopes and streams. To understand the dynamics of overland-flow connectivity, as well as the impact of connectivity on catchment response, we studied an undisturbed headwater catchment by monitoring overland-flow occurrence in all flow lines and discharge, suspended sediment, and total phosphorus at the catchment outlet. We find that connectivity is strongly influenced by seasonal variation in antecedent wetness and can develop even under light rainfall conditions. Connectivity increased rapidly as rainfall frequency increased, eventually leading to full connectivity and surficial drainage of entire hillslopes. Connectivity was nonlinearly related to catchment response. However, additional information on factors such as overland-flow volume would be required to constrain relationships between connectivity, stormflow, and the export of suspended sediment and phosphorus. The effort to monitor those factors would be substantial, so we advocate applying the established links between rain event characteristics, drainage network expansion by flow lines, and catchment response for predictive modeling and catchment classification in forests of the Panama Canal Watershed and in similar regions elsewhere.
KW  - connectivity
KW  - overland flow
KW  - stormflow
KW  - suspended sediment
KW  - phosphorus
KW  - drainage network expansion
Y1  - 2014
U6  - https://doi.org/10.1002/2012WR012660
SN  - 0043-1397
SN  - 1944-7973
VL  - 50
IS  - 2
SP  - 1457
EP  - 1473
PB  - American Geophysical Union
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Nguyen Nghia Hung, 
A1  - Delgado, José Miguel Martins
A1  - Güntner, Andreas
A1  - Merz, Bruno
A1  - Bardossy, Andras
A1  - Apel, Heiko
T1  - Sedimentation in the floodplains of the Mekong Delta, Vietnam. Part I: suspended sediment dynamics
JF  - Hydrological processes
N2  - Suspended sediment is the primary source for a sustainable agro-ecosystem in the Mekong Delta by providing nutrient input for the subsequent cropping season. In addition, the suspended sediment concentration (SSC) plays an important role in the erosion and deposition processes in the Delta; that is, it influences the morphologic development and may counteract the deltaic subsidence and sea level rise. Despite this importance, little is known about the dynamics of suspended sediment in the floodplains of the Mekong Delta. In particular, quantitative analyses are lacking mainly because of data scarcity with respect to the inundation processes in the floodplains. In 2008, therefore, a comprehensive in situ system to monitor the dynamics of suspended sediment in a study area located in the Plain of Reeds was established, aiming at the characterization and quantification of suspended sediment dynamics in the deeply inundated parts of the Vietnamese part of the Mekong Delta. The monitoring system was equipped with seven water quality-monitoring stations. They have a robust design and autonomous power supply suitable for operation on inundated floodplains, enabling the collection of reliable data over a long period of time with a high temporal resolution. The data analysis shows that the general seasonal dynamics of suspended sediment transport in the Delta is controlled by two main mechanisms: the flood wave of the Mekong River and the tidal backwater influences from the coast. In the channel network, SSC decreases exponentially with distance from the Mekong River. The anthropogenic influence on SSC could also be identified for two periods: at the start of the floodplain inundation and at the end of the flood period, when subsequent paddy rice crops are prepared. Based on the results, we recommend an operation scheme for the sluice gates, which intends to distribute the sediment and thus the nutrients equally over the floodplain.
KW  - Mekong Delta
KW  - floodplain
KW  - suspended sediment
KW  - sediment dynamics
KW  - floodplain sedimentation
Y1  - 2014
U6  - https://doi.org/10.1002/hyp.9856
SN  - 0885-6087
SN  - 1099-1085
VL  - 28
IS  - 7
SP  - 3132
EP  - 3144
PB  - Wiley-Blackwell
CY  - Hoboken
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brosinsky, Arlena
T1  - Spectral fingerprinting
T1  - Spektrales Fingerprinting
BT  - the potential of VNIR-SWIR spectral characteristics for tracing suspended sediment sources
BT  - das Potential spektraler Charakteristika im visuellen bis zum kurzwelligen Infrarotbereich zur Rückverfolgung von Sedimentquellgebieten
N2  - Current research on runoff and erosion processes, as well as an increasing demand for sustainable watershed management emphasize the need for an improved understanding of sediment dynamics. This involves the accurate assessment of erosion rates and sediment transfer, yield and origin. A variety of methods exist to capture these processes at the catchment scale. Among these, sediment fingerprinting, a technique to trace back the origin of sediment, has attracted increasing attention by the scientific community in recent years. It is a two-step procedure, based on the fundamental assumptions that potential sources of sediment can be reliably discriminated based on a set of characteristic ‘fingerprint’ properties, and that a comparison of source and sediment fingerprints allows to quantify the relative contribution of each source.
This thesis aims at further assessing the potential of spectroscopy to assist and improve the sediment fingerprinting technique. Specifically, this work focuses on (1) whether potential sediment sources can be reliably identified based on spectral features (‘fingerprints’), whether (2) these spectral fingerprints permit the quantification of relative source contribution, and whether (3) in situ derived source information is sufficient for this purpose. Furthermore, sediment fingerprinting using spectral information is applied in a study catchment to (4) identify major sources and observe how relative source contributions change between and within individual flood events. And finally, (5) spectral fingerprinting results are compared and combined with simultaneous sediment flux measurements to study sediment origin, transport and storage behaviour.
For the sediment fingerprinting approach, soil samples were collected from potential sediment sources within the Isábena catchment, a meso-scale basin in the central Spanish Pyrenees. Undisturbed samples of the upper soil layer were measured in situ using an ASD spectroradiometer and subsequently sampled for measurements in the laboratory. Suspended sediment was sampled automatically by means of ISCO samplers at the catchment as well as at the five major subcatchment outlets during flood events, and stored fine sediment from the channel bed was collected from 14 cross-sections along the main river. Artificial mixtures of known contributions were produced from source soil samples. Then, all source, sediment and mixture samples were dried and spectrally measured in the laboratory. Subsequently, colour coefficients and physically based features with relation to organic carbon, iron oxide, clay content and carbonate, were calculated from all in situ and laboratory spectra. Spectral parameters passing a number of prerequisite tests were submitted to principal component analyses to study natural clustering of samples, discriminant function analyses to observe source differentiation accuracy, and a mixing model for source contribution assessment. In addition, annual as well as flood event based suspended sediment fluxes from the catchment and its subcatchments were calculated from rainfall, water discharge and suspended sediment concentration measurements using rating curves and Quantile Regression Forests. Results of sediment flux monitoring were interpreted individually with respect to storage behaviour, compared to fingerprinting source ascriptions and combined with fingerprinting to assess their joint explanatory potential.
In response to the key questions of this work, (1) three source types (land use) and five spatial sources (subcatchments) could be reliably discriminated based on spectral fingerprints. The artificial mixture experiment revealed that while (2) laboratory parameters permitted source contribution assessment, (3) the use of in situ derived information was insufficient. Apparently, high discrimination accuracy does not necessarily imply good quantification results. When applied to suspended sediment samples of the catchment outlet, the spectral fingerprinting approach was able to (4) quantify the major sediment sources: badlands and the Villacarli subcatchment, respectively, were identified as main contributors, which is consistent with field observations and previous studies. Thereby, source contribution was found to vary both, within and between individual flood events. Also sediment flux was found to vary considerably, annually as well as seasonally and on flood event base. Storage was confirmed to play an important role in the sediment dynamics of the studied catchment, whereas floods with lower total sediment yield tend to deposit and floods with higher yield rather remove material from the channel bed. Finally, a comparison of flux measurements with fingerprinting results highlighted the fact that (5) immediate transport from sources to the catchment outlet cannot be assumed. A combination of the two methods revealed different aspects of sediment dynamics that none of the techniques could have uncovered individually.
In summary, spectral properties provide a fast, non-destructive, and cost-efficient means to discriminate and quantify sediment sources, whereas, unfortunately, straight-forward in situ collected source information is insufficient for the approach. Mixture modelling using artificial mixtures permits valuable insights into the capabilities and limitations of the method and similar experiments are strongly recommended to be performed in the future. Furthermore, a combination of techniques such as e.g. (spectral) sediment fingerprinting and sediment flux monitoring can provide comprehensive understanding of sediment dynamics.
N2  - Aktuelle Forschung zu Abfluss- und Erosionsprozessen und die steigende Nachfrage nach nachhaltiger Wasserbewirtschaftung unterstreichen die Notwendigkeit für ein verbessertes Verständnis von Sedimentdynamik. Dazu gehören die genaue Bewertung von Erosionsraten sowie die Abschätzung von Sedimenttransfer, -ertrag und -herkunft. Es existiert eine Vielzahl von Verfahren, um diese Prozesse auf Einzugsgebietsskala zu erfassen. Unter diesen hat das Sediment-Fingerprinting, eine Technik zur Bestimmung der Sedimentherkunft, in den letzten Jahren zunehmend die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf sich gezogen. Es ist ein zweiteiliges Verfahren auf Grundlage der Annahmen, dass mögliche Sedimentquellen unter Verwendung charakteristischer "Fingerabdrücke" zuverlässig unterschieden und dass ein Vergleich der Quell- und Sedimentfingerabdrücke es ermöglicht, den relativen Beitrag jeder Quelle zu quantifizieren.
Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeit, Spektroskopie zur Unterstützung und Verbesserung der Sediment-Fingerprinting Technik einzusetzen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Fragen, ob (1) potenzielle Sedimentquellen basierend auf spektralen Merkmalen ("Fingerabdrücken") zuverlässig unterschieden werden können, ob (2) diese spektralen Fingerabdrücke die relative Quantifizierung von Quellbeiträgen erlauben und ob (3) in situ gemessene Quellinformationen für diesen Zweck ausreichend sind. Darüber hinaus wird spektrales Sediment-Fingerprinting in einem Untersuchungsgebiet angewandt, um (4) die wichtigsten Quellen zu identifizieren und um zu beobachten, wie sich relative Beiträge zwischen und innerhalb einzelner Hochwasserereignisse verändern. Außerdem werden (5) spektrale Sediment-Fingerprinting Ergebnisse mit gleichzeitig erhobenen Abfluss- und Sedimentflussdaten verglichen und kombiniert um Sedimentherkunft, -transport und -ablagerung zu untersuchen.
Für den Sediment-Fingerprinting Ansatz wurden Bodenproben potenzieller Sedimentquellen im Isábenabecken, einem mesoskaligen Einzugsgebiet in den zentralen spanischen Pyrenäen, gesammelt. Ungestörte Proben der Bodenoberfläche wurden in situ unter Verwendung eines ASD Spektroradiometers gemessen und anschließend für Labormessungen beprobt. Sedimentpartikel (Schwebfracht) wurden während Hochwasserereignissen automatisch mit Hilfe von ISCO Samplern am Gebietsauslass sowie an den fünf wichtigsten Teileinzugsbietsauslässen beprobt. Zusätzlich wurde im Flussbett abgelagertes Feinsediment an 14 Querschnitten entlang des Hauptflusses gesammelt. Aus den Bodenproben wurden zusätzlich künstliche Mischungen bekannter Zusammensetzung hergestellt. Alle Boden-, Sediment- und Gemischproben wurden getrocknet und im Labor spektral gemessen. Anschließend wurden aus allen Spektren (in situ und Labor) Farbkoeffizienten und physikalisch basierte features mit Bezug zu organischem Kohlenstoff, Eisenoxid, Tongehalt und Carbonat berechnet. Die spektralen Parameter wurden auf eine Reihe von Voraussetzungen getested. Auf Grundlage von Parametern, die die vorgegebenen Voraussetungen erfüllten, wurden die Proben anschließend mittels Hauptkomponenten-analyse auf natürliche Gruppierung getested. Die Differenzierungsgenauigkeit einzelner Parameter bzw. von Parameterkombinationen wurde mittels Diskriminanzfunktionsanalyse beurteilt und zur Quantifizierung der Beiträge verschiedener Quellen wurde ein Mischungs-modell entwickelt. Darüber hinaus wurden mittels Eichkurven und Quantile Regression Forests aus Niederschlags-, Abfluss- und Sedimentkonzentrationsmessungen jährliche sowie hochwasserbasierte Sedimentflüsse aus dem Einzugsgebiet und seinen Teileinzugsgebieten berechnet. Ergebnisse des Sedimentfluss Monitorings wurden einzeln in Bezug auf Speicherverhalten interpretiert, mit Quellquantifizierungen aus dem Sediment-Fingerprinting verglichen und mit dem Fingerprinting kombiniert, um das gemeinsame Erklärungspotential der beiden Methoden zu bewerten.
Als Antwort auf die Schlüsselfragen dieser Arbeit konnten (1) drei Quelltypen (Landnutzung) bzw. fünf räumliche Quellen (Teileinzugsgebiete) basierend auf spektralen Fingerabdrücken zuverlässig unterschieden werden. Das Experiment mit den künstlichen Mischungen ergab, dass während (2) Laborparameter die Beitragsabschätzung erlauben, (3) die Verwendung von in situ abgeleiteten Informationen nicht ausreicht. Offenbar bedeutet eine hohe Diskriminierungsgenauigkeit nicht unbedingt gute Quantifizierungs-ergebnisse. Auf Sedimentproben des Gebietsauslasses angewandt war der spektrale Sediment-Fingerprinting Ansatz in der Lage, (4) die Hauptsedimentquellen zu quantifizieren: Badlands und das Villacarli Teileinzugsgebiet wurden jeweils als Hauptquellen identifiziert. Dies ist im Einklang mit Beobachtungen früherer Studien. Dabei wurde festgestellt, dass Quellbeiträge sowohl innerhalb als auch zwischen den einzelnen Hochwasserereignissen variieren. Außerdem wurden starke Schwankungen der Sedimentflüsse, auf jährlicher sowie saisonaler- und Hochwasserereignis-Basis gefunden. Die wichtige Rolle des Flusses als Speicher in der Sedimentdynamik des untersuchten Einzugsgebietes wurde bestätigt, wobei Hochwasser mit niedrigerer Gesamtsedimentausbeute in der Regel Material ablagern und Hochwasser mit höherer Ausbeute eher Material aus dem Flussbett entfernen. Schließlich zeigte ein Vergleich der Sedimentflussmessungen mit Sediment-Fingerprinting Ergebnissen, dass (5) nicht von unmittelbarem Materialtransport von den Quellen zum Gebietsauslass ausgegangen werden kann. Die Kombination der zwei Verfahren offenbarte verschiedene Aspekte der Sedimentdynamik, die keine der beiden Techniken einzeln hätte aufdecken können.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass spektrale Messungen ein schnelles, zerstörungsfreies und kosteneffizientes Mittel zur Unterscheidung und Quantifizierung von Sedimentquellen bieten, wobei in situ gesammelte Quellinformationen leider nicht ausreichend für die Vorgehensweise sind. Experimente mit künstlichen Mischungen ermöglichten wertvolle Einblicke in die Möglichkeiten und Grenzen der Methode und ähnliche Versuche werden dringend für zukünftige Studien empfohlen. Eine Kombination von Techniken, wie z. B. (spektralem) Sediment-Fingerprinting und Sedimentfluss Monitoring können das Verständnis der Sedimentdynamik verbessern und vertiefen.
KW  - spectroscopy
KW  - sediment fingerprinting
KW  - artificial mixtures
KW  - Isábena catchment
KW  - suspended sediment
KW  - Spektroskopie
KW  - Sediment Fingerprinting
KW  - Isábena Einzugsgebiet
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-83369
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wulf, Hendrik
T1  - Seasonal precipitation, river discharge, and sediment flux in the western Himalaya
T1  - Saisonaler Niederschlag, Wasserabfluss und Sedimentationsfluss im westlichen Himalaya
N2  - Rainfall, snow-, and glacial melt throughout the Himalaya control river discharge, which is vital for maintaining agriculture, drinking water and hydropower generation. However, the spatiotemporal contribution of these discharge components to Himalayan rivers is not well understood, mainly because of the scarcity of ground-based observations. Consequently, there is also little known about the triggers and sources of peak sediment flux events, which account for extensive hydropower reservoir filling and turbine abrasion. We therefore lack basic information on the distribution of water resources and controls of erosion processes. In this thesis, I employ various methods to assess and quantify general characteristics of and links between precipitation, river discharge, and sediment flux in the Sutlej Valley. First, I analyze daily precipitation data (1998-2007) from 80 weather stations in the western Himalaya, to decipher the distribution of rain- and snowfall. Rainfall magnitude frequency analyses indicate that 40% of the summer rainfall budget is attributed to monsoonal rainstorms, which show higher variability in the orogenic interior than in frontal regions. Combined analysis of rainstorms and sediment flux data of a major Sutlej River tributary indicate that monsoonal rainfall has a first order control on erosion processes in the orogenic interior, despite the dominance of snowfall in this region. Second, I examine the contribution of rainfall, snow and glacial melt to river discharge in the Sutlej Valley (s55,000 km2), based on a distributed hydrological model, which covers the period 2000-2008. To achieve high spatial and daily resolution despite limited ground-based observations the hydrological model is forced by daily remote sensing data, which I adjusted and calibrated with ground station data. The calibration shows that the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) 3B42 rainfall product systematically overestimates rainfall in semi-arid and arid regions, increasing with aridity. The model results indicate that snowmelt-derived discharge (74%) is most important during the pre-monsoon season (April to June) whereas rainfall (56%) and glacial melt (17%) dominate the monsoon season (July-September). Therefore, climate change most likely causes a reduction in river discharge during the pre-monsoon season, which especially affects the orogenic interior. Third, I investigate the controls on suspended sediment flux in different parts of the Sutlej catchments, based on daily gauging data from the past decade. In conjunction with meteorological data, earthquake records, and rock strength measurements I find that rainstorms are the most frequent trigger of high-discharge events with peaks in suspended sediment concentrations (SSC) that account for the bulk of the suspended sediment flux. The suspended sediment flux increases downstream, mainly due to increases in runoff. Pronounced erosion along the Himalayan Front occurs throughout the monsoon season, whereas efficient erosion of the orogenic interior is confined to single extreme events. The results of this thesis highlight the importance of snow and glacially derived melt waters in the western Himalaya, where extensive regions receive only limited amounts of monsoonal rainfall. These regions are therefore particularly susceptible to global warming with major implications on the hydrological cycle. However, the sediment discharge data show that infrequent monsoonal rainstorms that pass the orographic barrier of the Higher Himalaya are still the primary trigger of the highest-impact erosion events, despite being subordinate to snow and glacially–derived discharge. These findings may help to predict peak sediment flux events and could underpin the strategic development of preventative measures for hydropower infrastructures.
N2  - Regen, Schnee- und Gletscherschmelze speisen die Flüsse des Himalajas, die eine große Bedeutung für die Landwirtschaft, Trinkwasserversorgung und Wasserkraftnutzung in Südasien aufweisen. Welchen Anteil die einzelnen Abflusskomponenten am Gesamtabfluss in Raum und Zeit besitzen, ist jedoch kaum quantifiziert, da es in der entlegenen Region an Bodenmessstationen mangelt. Aus diesem Grund ist auch wenig über die Auslöser und Herkunftsgebiete von hohen Sedimentaustragsereignissen bekannt, die im erheblichen Maße dazu beitragen, dass die Kapazität vonWasserkraftreservoiren abnimmt undWasserkraftturbinen abradieren. Daher fehlen bisher grundlegende Informationen zur räumlichen Verteilung von Wasserressourcen und zu den Ursachen von Erosionsprozessen. In dieser Arbeit benutze ich verschiedene Methoden um die Eigenschaften von und die Beziehungen zwischen Niederschlag, Abflussmenge und Sedimentaustrag im Sutlej-Tal zu untersuchen. In einer ersten Studie analysiere ich Tagesniederschläge (1998-2007) von 80 Wetterstationen aus dem westlichen Himalaja, um die räumliche Verteilung von Regen- und Schneeniederschlägen zu charakterisieren. Die weitere Analyse der Magnituden-Häufigkeitsverteilung von Regenfällen zeigt, dass 40% der sommerlichen Niederschläge auf monsunale Starkregenereignisse zurückgehen, die eine höhere Variabilität im Gebirgsinneren aufweisen als an der Gebirgsfront. Die Kombination von Niederschlagsdaten mit Sedimentaustragsdaten für einen der größten Zuflüsse des Sutlejs zeigt, dass monsunaler Niederschlag der primäre Auslöser von Erosionsprozessen im Gebirgsinneren ist, ungeachtet größerer Abflussmengen durch Schnee- und Gletscherschmelze. In einer zweiten Studie untersuche ich den Beitrag von Regen, Schnee- und Gletscherschmelze zur Abflussmenge im Sutlej-Tal (s55.000 km2) mit Hilfe eines hydrologischen Modells für den Jahreszeitraum 2000-2008. Um trotz der begrenzten Bodenmessungen eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung zu erzielen, basiert das Modell auf täglichen Fernerkundungsdaten, die ich mit allen verfügbaren Bodenstationsdaten kalibriert und an diese angepasst habe. Die Kalibrierung zeigt, dass das Regenniederschlagsprodukt 3B42 der „Tropical Rainfall Measuring Mission“ (TRMM) den Bodenniederschlag in den semi-ariden bis ariden Gebirgsregionen mit zunehmender Trockenheit systematisch überschätzt. Die Modellierungsergebnisse verdeutlichen, dass die Schneeschmelze den bedeutendsten Beitrag zur Abflussmenge (74 %) zwischen April und Juni aufbringt, während Regen (56%) und Gletscherschmelze (17%) die Monsunsaison (Juli-September) prägen. Daher ist anzunehmen, dass der Klimawandel zu einer Verringerung der Abflussmenge zwischen April und Juni führen wird, was sich besonders auf das Gebirgsinnere auswirkt. In einer dritten Studie untersuche ich mit Hilfe von täglichen Messdaten der letzten Dekade die Ursachen und Eigenschaften des Sedimentaustrags in verschiedenen Bereichen des Sutlej-Einzugsgebietes. Auf der Grundlage von meteorologischen Daten, Erdbebenaufzeichnungen und Gesteinsfestigkeitsmessungen identifiziere ich Starkregenereignisse als häufigste Ursache für extreme Erosionsereignisse, die einen Großteil des gesamten Sedimentaustrags ausmachen. Großräumig betrachtet nimmt der Sedimentaustrag flussabwärts zu, was hauptsächlich auf den Anstieg der Abflussmenge zurückzuführen ist. Zur Monsunzeit treten Erosionsprozesse entlang der Himalajafront besonders häufig auf, während im Gebirgsinneren die Erosion auf einzelne Extremereignisse beschränkt ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit untersteichen die Bedeutung von Schnee- und Gletscherschmelze im westlichen Himalaja, in dem große Gebiete nur vereinzelt von monsunalen Niederschlägen erreicht werden. Diese Gebiete sind daher besonders anfällig für den Klimawandel mit weitreichenden Konsequenzen für den Wasserhaushalt in der Region. Die Analyse von Sedimentaustragsdaten zeigt jedoch, dass vereinzelte monsunale Regenstürme, welche die topographische Barriere des Himalaja überqueren, die primäre Ursache von extremen Erosionsereignissen sind, trotz der größeren Abflussmengen von Schnee- und Gletscherschmelze im Gebirgsinneren. Diese Ergebnisse können dazu beitragen, große Erosionsereignisse vorherzusagen und vorbeugende Maßnahmen zum Schutz von Wasserkraftanlagen zu entwickeln.
KW  - Klimawandel
KW  - Erosion
KW  - Monsun
KW  - Regensturm
KW  - Suspendsionsfracht
KW  - climate change
KW  - erosion
KW  - monsoon
KW  - rainstorm
KW  - suspended sediment
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57905
ER  -