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Im Graduiertenkolleg NatRiskChange der Universität Potsdam und anderen Forschungseinrichtungen werden beobachtete sowie zukünftig mögliche Veränderungen von Naturgefahren untersucht. Teil des strukturierten Doktorandenprogramms sind sogenannte Task-Force-Einsätze, bei denen die Promovierende zeitlich begrenzt ein aktuelles Ereignis auswerten. Im Zuge dieser Aktivität wurde die Sturzflut vom 29.05.2016 in Braunsbach (Baden-Württemberg) untersucht.
In diesem Bericht werden erste Auswertungen zur Einordnung der Niederschläge, zu den hydrologischen und geomorphologischen Prozessen im Einzugsgebiet des Orlacher Bachs sowie zu den verursachten Schäden beleuchtet.
Die Region war Zentrum extremer Regenfälle in der Größenordnung von 100 mm innerhalb von 2 Stunden. Das 6 km² kleine Einzugsgebiet hat eine sehr schnelle Reaktionszeit, zumal bei vorgesättigtem Boden. Im steilen Bachtal haben mehrere kleinere und größere Hangrutschungen über 8000 m³ Geröll, Schutt und Schwemmholz in das Gewässer eingetragen und möglicherweise kurzzeitige Aufstauungen und Durchbrüche verursacht. Neben den großen Wassermengen mit einer Abflussspitze in einer Größenordnung von 100 m³/s hat gerade die Geschiebefracht zu großen Schäden an den Gebäuden entlang des Bachlaufs in Braunsbach geführt.
Spatial patterns as well as temporal dynamics of soil moisture have a major influence on runoff generation. The investigation of these dynamics and patterns can thus yield valuable information on hydrological processes, especially in data scarce or previously ungauged catchments. The combination of spatially scarce but temporally high resolution soil moisture profiles with episodic and thus temporally scarce moisture profiles at additional locations provides information on spatial as well as temporal patterns of soil moisture at the hillslope transect scale. This approach is better suited to difficult terrain (dense forest, steep slopes) than geophysical techniques and at the same time less cost-intensive than a high resolution grid of continuously measuring sensors. Rainfall simulation experiments with dye tracers while continuously monitoring soil moisture response allows for visualization of flow processes in the unsaturated zone at these locations. Data was analyzed at different spacio-temporal scales using various graphical methods, such as space-time colour maps (for the event and plot scale) and binary indicator maps (for the long-term and hillslope scale). Annual dynamics of soil moisture and decimeterscale variability were also investigated. The proposed approach proved to be successful in the investigation of flow processes in the unsaturated zone and showed the importance of preferential flow in the Malalcahuello Catchment, a datascarce catchment in the Andes of Southern Chile. Fast response times of stream flow indicate that preferential flow observed at the plot scale might also be of importance at the hillslope or catchment scale. Flow patterns were highly variable in space but persistent in time. The most likely explanation for preferential flow in this catchment is a combination of hydrophobicity, small scale heterogeneity in rainfall due to redistribution in the canopy and strong gradients in unsaturated conductivities leading to self-reinforcing flow paths.
BLUMENSTEIN, O.: Investigation of Environmental Quality and Social Structures in a Mining Area in the North West Province of South Africa ; BRONSTERT, A.; GÜNTNER, A.: A large-scale hydrological model for the semi-arid environment of north-eastern Brazil ; BRONSTERT, A. et al.: Hochwasserproblematik und der Zusammenhang mit Landnutzungs- und Klimaänderungen ; FRIEDRICH, S.: Vergleichende Untersuchungen zur Wasserqualität des anfallenden Regenwassers an den 14 Regenwassereinläufen der Stadt Potsdam ; GELDMACHER, K. et al.: Bodenzerstörung im Palouse, Washington, USA ; ITZEROTT, S.; KADEN, K.: Modellierung der flächenhaften Verdunstung im Gebiet der Unteren Havel ; KNÖSCHE, R.: Das remobilisierbare Nährstoffpotential in Augewässersedimenten einer Tieflandflußaue
Stand des IMAF zu Beginn des Jahres 2006
Zum 1. April 2005 wurde per Beschluss des Rektorats der Universität Potsdam das Interdisziplinäre Zentrum für Musterdynamik und Angewandte Fernerkundung (IMAF) an der Universität Potsdam eingerichtet. Diesem Beschluss gingen knapp zwei Jahre konzeptionelle, organisatorische und administrative Vorarbeiten voraus. Inzwischen ist das IMAF also offiziell gegründet, der Vorstand wurde „bestellt“ (Prof. M. Mutti. Prof. E. Zehe, Prof. A. Bronstert), der Geschäftsführer bzw. wissenschaftliche Koordinator Dr. M. Kühling arbeitet in dieser Funktion seit Sommer 2005 und seit kurzem ist auch die 1. Version der Homepage des IMAF (http://www.uni-potsdam.de/imaf/) frei geschaltet. Auch die Infrastruktur des IMAF ist in der Entstehungsphase: Büroräume sind versprochen (wenn auch noch nicht bezugsfertig) im Haus 13 auf dem Campus Golm der Universität Potsdam und der 1. erfolgreiche Drittmittelantrag erbrachte 8 leistungsfähige Tischrechner und einen Server für das IMAF aus EU-Mitteln. Wichtiger als die administrativen und organisatorischen Arbeiten sind aber die inhaltlichen Forstschritte. Hier ist die große Resonanz, die die Gründung des IMAF sowohl innerhalb als auch außerhalb der Universität gefunden hat, besonders erfreulich. Über 30 Angehörige des Zentrums sind inzwischen zu verzeichnen und es gibt bereits eine Reihe von wissenschaftlichen Projektinitiativen und Ideen für dieses Zentrum. Neben den wissenschaftlichen Arbeiten am IMAF ist ein zweites Hauptziel für dieses Zentrum die Entwicklung und der Ausbau eines strukturierten Ausbildungsangebotes für Musterdynamik und angewandte Fernerkundung. Dies sollen gleichermaßen Masterstudenten als auch Doktoranden der Universität Potsdam und der mit ihr assoziierten außeruniversitären Institute nutzen. Zudem werden Kurse und Weiterbildungsveranstaltungen mit nationalen und internationalen Experten angestrebt. Neben diesen positiven Entwicklungen gibt es auch (noch ??) über einige Mängel zu berichten:
Das Sekretariat ist nach wie vor unbesetzt, die Finanzausstattung des Zentrums ist völlig ungenügend und die im Konzept für das Zentrum beantragte Wissenschaftlerstelle für Softwareanwendung ist nicht in Sicht. Für einen Erfolg des Zentrums ist es unbedingt notwendig, dass sich diese Situation deutlich verbessert!!
Forschungsschwerpunkte des IMAF
Räumliche Muster und deren Struktur in der Umwelt
Räumliche Muster sind in vielen naturwissenschaftlichen Disziplinen (Hydrologie, Ökologie, Geologie, Biologie, Chemie, Physik) von zentraler Bedeutung. Z.B. bestimmen die räumlichen (und zeitlichen) Muster von Bodeneigenschaften und Vegetation in ihrem Zusammenspiel mit den Mustern von Niederschlag und Strahlungsinput maßgeblich den Wasser- und Stoffhaushalt auf unterschiedlichsten Skalen und führen über Rückkopplung wiederum zu Veränderungen in Klima, Vegetation und Ökosystemen. Vom kleinräumigen Transport von Schadstoffen und von der Hochwasserentstehung bis zur Frage nach den regionalen und globalen Veränderungen von Klima, Vegetation und Landnutzung seien hier nur einige Problemkreise genannt, in denen Muster und Musterdynamik eine zentrale Stellung einnehmen. Darüber hinaus liefert die Betrachtung der zeitlichen Veränderung von räumlichen Mustern, in Ergänzung zur klassischen Erfassung dynamischer Prozesse in Form von Messungen lokaler zeitlicher Änderungen, eine völlig neue Perspektive auf Dynamik und eröffnet damit völlig neue wissenschaftliche Möglichkeiten. Aktuelle und sehr drängende Fragen innerhalb dieses Forschungsschwerpunktes sind unter anderem:
• Analyse der generelle Raumstruktur von Geodaten (Variabilität, Struktur, Konnektivität);
• Thematische Verbindungen verschiedener Datenebenen und Möglichkeiten für deren Assimilation;
• Möglichkeiten und Grenzen des Skalenübergangs zwischen verschiedenen räumlichen Auflösungen und Informationsquellen;
• Ableitung der zeitlichen Dynamik bzw. Entwicklung von großen flächenhaften Datenfeldern.
Angewandte Fernerkundung
Wie keine andere Technik bietet die Fernerkundung in jeglicher Form (unter anderem Satelliten, flugzeuggetragene Sensoren, Wetterradar und auch geophysikalische Methoden) umfangreiche Möglichkeiten, räumliche Muster und deren zeitliche Veränderungen zu erfassen. Allen Methoden der Fernerkundung gemein ist, dass sie nur indirekte Ergebnisse liefern. Das heißt, es besteht nur ein mittelbarer Zusammenhang zwischen dem beobachteten Signal, meist der Reflektivität oder Emissivität elektromagnetischer Strahlung in verschiedenen Spektralbereichen (optisch oder Radar), und der eigentlich interessierenden Größe, wie dem Feuchtezustand der Vegetation, der Bodenfeuchte oder Bodenrauhigkeit, der Niederschlagsintensität, dem Zustand der Schneedecke oder der Ausdehnung eines Oberflächenfilms auf Gewässern. Ein Satellitenbild enthält beispielsweise immer die spektrale Signatur des räumlichen Musters mehrerer der oben genannten Einflussgrößen, was die Extraktion oder Diskriminierung der eigentlich interessierenden Größe erschwert. Dieser „vermischte“ Charakter der Fernerkundungsdaten bietet aber auch immense Chancen. So lassen sich durch geeignete Interpretationsverfahren aus jedem mit hohem finanziellem und technischem Aufwand erstellten Satellitenbild zahlreiche und im Detail völlig unterschiedliche Fragestellungen bearbeiten. Die Extraktion der gewünschten Information aus dem Fernerkundungssignal führt mathematisch gesehen meist auf die Lösung so genannter inverser, schlecht gestellter Probleme. Somit beinhaltet die interdisziplinäre Nutzung von Fernerkundung auch ein hohes methodisches Synergiepotential. Durch die heutigen technischen Möglichkeiten zur Archivierung auch sehr umfangreicher raumbezogener Informationen ist die Bearbeitung zu jedem beliebigen Zeitpunkt nach der Aufnahme möglich – zum Beispiel bis entsprechend lange Zeitreihen und/oder geeignete Interpretationsverfahren zur Verfügung stehen. Tatsächlich dürfte der weitaus größte Teil der raumbezogenen Informationen, die in den bisher erhobenen Fernerkundungsdaten stecken, nur in Ansätzen ausgewertet sein. Einer bereits sehr hoch entwickelten technischen Dimension der Fernerkundung steht ein gewisses Defizit im Umfang ihrer Anwendung in den verschiedenen naturwissenschaftlichen Disziplinen gegenüber. Aktuelle und sehr drängende Fragen innerhalb dieses Forschungsschwerpunktes sind unter anderem:
• Nutzung der räumlichen und inhaltlichen Breite von Fernerkundungsinformationen;
• Verbindung mit automatisierten, u.a. geophysikalischen Methoden des „ground-truthings“;
• Identifizierung der Grenzen bzgl. Repräsentanz der Daten (spektral, raum-zeitliche Auflösung);
• Verbindung unterschiedlicher Methoden der Fernerkundung und der Geophysik.
Dieser Beitrag illustriert die o.g. Fragestellungen anhand einiger Darstellungen aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen und erläutert 2 Beispiele zu beabsichtigten Forschungsprojekten:
• Erfassung und Bedeutung von Boden-Oberflächeneigenschaften auf die Abflussbildung von Landschaften;
• Phänomene des Stofftransportes in homogenen vs. heterogenen Böden.
The information about climate change impact on river discharge is vitally important for planning adaptation measures. The future changes can affect different water-related sectors. The main goal of this study was to investigate the potential water resource changes in Ukraine, focusing on three mesoscale river catchments (Teteriv, UpperWestern Bug, and Samara) characteristic for different geographical zones. The catchment scale watershed model—Soil and Water Integrated Model (SWIM)—was setup, calibrated, and validated for the three catchments under consideration. A set of seven GCM-RCM (General Circulation Model-Regional Climate Model) coupled climate scenarios corresponding to RCPs (Representative Concentration Pathways) 4.5 and 8.5 were used to drive the hydrological catchment model. The climate projections, used in the study, were considered as three combinations of low, intermediate, and high end scenarios. Our results indicate the shifts in the seasonal distribution of runoff in all three catchments. The spring high flow occurs earlier as a result of temperature increases and earlier snowmelt. The fairly robust trend is an increase in river discharge in the winter season, and most of the scenarios show a potential decrease in river discharge in the spring.
Most hydrological studies rely on a model calibrated using discharge alone. However, judging the model reliability based on such calibration is problematic, as it does not guarantee the correct representation of internal hydrological processes. This study aims (a) to develop a comprehensive multi-objective calibration framework using remote sensing vegetation data and hydrological signatures (flow duration curve - FDC, and baseflow index) in addition to discharge, and (b) to apply this framework for calibration of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) in a typical Andean catchment. Overall, our calibration approach outperformed traditional discharge-based and FDC signature-based calibration strategies in terms of vegetation, streamflow, and flow partitioning simulation. New hydrological insights for the region are the following: baseflow is the main component of the streamflow sustaining the long dry-season flow, and pasture areas offer higher water yield and baseflow than other land-cover types. The proposed approach could be used in other data-scarce regions with complex topography.
A comprehensive hydro-sedimentological dataset for the Isábena catchment, northeastern (NE) Spain, for the period 2010–2018 is presented to analyse water and sediment fluxes in a Mediterranean mesoscale catchment. The dataset includes rainfall data from 12 rain gauges distributed within the study area complemented by meteorological data of 12 official meteo-stations. It comprises discharge data derived from water stage measurements as well as suspended sediment concentrations (SSCs) at six gauging stations of the River Isábena and its sub-catchments. Soil spectroscopic data from 351 suspended sediment samples and 152 soil samples were collected to characterize sediment source regions and sediment properties via fingerprinting analyses. The Isábena catchment (445 km 2 ) is located in the southern central Pyrenees ranging from 450 m to 2720 m a.s.l.; together with a pronounced topography, this leads to distinct temperature and precipitation gradients. The River Isábena shows marked discharge variations and high sediment yields causing severe siltation problems in the downstream Barasona Reservoir. The main sediment source is badland areas located on Eocene marls that are well connected to the river network. The dataset features a comprehensive set of variables in a high spatial and temporal resolution suitable for the advanced process understanding of water and sediment fluxes, their origin and connectivity and sediment budgeting and for the evaluation and further development of hydro-sedimentological models in
Mediterranean mesoscale mountainous catchments.
The results of streamflow trend studies are often characterized by mostly insignificant trends and inexplicable spatial patterns. In our study region, Western Austria, this applies especially for trends of annually averaged runoff. However, analysing the altitudinal aspect, we found that there is a trend gradient from higher-altitude to lower-altitude stations, i.e. a pattern of mostly positive annual trends at higher stations and negative ones at lower stations. At midaltitudes, the trends are mostly insignificant. Here we hypothesize that the streamflow trends are caused by the following two main processes: on the one hand, melting glaciers produce excess runoff at higher-altitude watersheds. On the other hand, rising temperatures potentially alter hydrological conditions in terms of less snowfall, higher infiltration, enhanced evapotranspiration, etc., which in turn results in decreasing streamflow trends at lower-altitude watersheds. However, these patterns are masked at mid-altitudes because the resulting positive and negative trends balance each other. To support these hypotheses, we attempted to attribute the detected trends to specific causes. For this purpose, we analysed trends of filtered daily streamflow data, as the causes for these changes might be restricted to a smaller temporal scale than the annual one. This allowed for the explicit determination of the exact days of year (DOYs) when certain streamflow trends emerge, which were then linked with the corresponding DOYs of the trends and characteristic dates of other observed variables, e.g. the average DOY when temperature crosses the freezing point in spring. Based on these analyses, an empirical statistical model was derived that was able to simulate daily streamflow trends sufficiently well. Analyses of subdaily streamflow changes provided additional insights. Finally, the present study supports many modelling approaches in the literature which found out that the main drivers of alpine streamflow changes are increased glacial melt, earlier snowmelt and lower snow accumulation in wintertime.
Model-Based attribution of high-resolution streamflow trends in two alpine basins of Western Austria
(2017)
Several trend studies have shown that hydrological conditions are changing considerably in the Alpine region. However, the reasons for these changes are only partially understood and trend analyses alone are not able to shed much light. Hydrological modelling is one possible way to identify the trend drivers, i.e., to attribute the detected streamflow trends, given that the model captures all important processes causing the trends. We modelled the hydrological conditions for two alpine catchments in western Austria (a large, mostly lower-altitude catchment with wide valley plains and a nested high-altitude, glaciated headwater catchment) with the distributed, physically-oriented WaSiM-ETH model, which includes a dynamical glacier module. The model was calibrated in a transient mode, i.e., not only on several standard goodness measures and glacier extents, but also in such a way that the simulated streamflow trends fit with the observed ones during the investigation period 1980 to 2007. With this approach, it was possible to separate streamflow components, identify the trends of flow components, and study their relation to trends in atmospheric variables. In addition to trends in annual averages, highly resolved trends for each Julian day were derived, since they proved powerful in an earlier, data-based attribution study. We were able to show that annual and highly resolved trends can be modelled sufficiently well. The results provide a holistic, year-round picture of the drivers of alpine streamflow changes: Higher-altitude catchments are strongly affected by earlier firn melt and snowmelt in spring and increased ice melt throughout the ablation season. Changes in lower-altitude areas are mostly caused by earlier and lower snowmelt volumes. All highly resolved trends in streamflow and its components show an explicit similarity to the local temperature trends. Finally, results indicate that evapotranspiration has been increasing in the lower altitudes during the study period.
Both Alpine and Mediterranean areas are considered sensitive to so-called global change, considered as the combination of climate and land use changes. All panels on climate evolution predict future scenarios of increasing frequency and magnitude of floods which are likely to lead to huge geomorphic adjustments of river channels so major metamorphosis of fluvial systems is expected as a result of global change. Such pressures are likely to give rise to major ecological and economic changes and challenges that governments need to address as a matter of priority. Changes in river flow regimes associated with global change are therefore ushering in a new era, where there is a critical need to evaluate hydro-geomorphological hazards from headwaters to lowland areas (flooding can be not just a problem related to being under the water). A key question is how our understanding of these hazards associated with global change can be improved; improvement has to come from integrated research which includes the climatological and physical conditions that could influence the hydrology and sediment generation and hence the conveyance of water and sediments (including the river’s capacity, i.e. amount of sediment, and competence, i.e. channel deformation) and the vulnerabilities and economic repercussions of changing hydrological hazards (including the evaluation of the hydro-geomorphological risks too).
Within this framework, the purpose of this international symposium is to bring together researchers from several disciplines as hydrology, fluvial geomorphology, hydraulic engineering, environmental science, geography, economy (and any other related discipline) to discuss the effects of global change over the river system in relation with floods. The symposium is organized by means of invited talks given by prominent experts, oral lectures, poster sessions and discussion sessions for each individual topic; it will try to improve our understanding of how rivers are likely to evolve as a result of global change and hence address the associated hazards of that fluvial environmental change concerning flooding.
Four main topics are going to be addressed:
- Modelling global change (i.e. climate and land-use) at relevant spatial (regional, local) and temporal (from the long-term to the single-event) scales.
- Measuring and modelling river floods from the hydrological, sediment transport (both suspended and bedload) and channel morphology points of view at different spatial (from the catchment to the reach) and temporal (from the long-term to the single-event) scales.
- Evaluation and assessment of current and future river flooding hazards and risks in a global change perspective.
- Catchment management to face river floods in a changing world.
We are very pleased to welcome you to Potsdam. We hope you will enjoy your participation at the International Symposium on the Effects of Global Change on Floods, Fluvial Geomorphology and Related Hazards in Mountainous Rivers and have an exciting and profitable experience. Finally, we would like to thank all speakers, participants, supporters, and sponsors for their contributions that for sure will make of this event a very remarkable and fruitful meeting. We acknowledge the valuable support of the European Commission (Marie Curie Intra-European Fellowship, Project ‘‘Floodhazards’’, PIEF-GA-2013-622468, Seventh EU Framework Programme) and the Deutschen Forschungsgemeinschaft (Research Training Group “Natural Hazards and Risks in a Changing World” (NatRiskChange; GRK 2043/1) as the symposium would not have been possible without their help. Without your cooperation, this symposium would not be either possible or successful.