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Veränderung der Abflüsse
(2005)
Voraussetzung für die nachhaltige Bewirtschaftung von Tieflandflusseinzugsgebieten ist ein umfassendes Verständnis der Wasserhaushalts- und Stofftransportprozesse in der Flussaue. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wasserhaushaltsprozesse und Stofftransportvorgänge innerhalb der grundwassergeprägten Talauenlandschaften von Tieflandeinzugsgebieten am Beispiel der im Nordostdeutschen Tiefland gelegenen Havel. Die Arbeiten in verschieden skaligen Teileinzugsgebieten der Havel beschäftigen sich dabei zum einen mit der experimentellen Untersuchung und vorrangig qualitativen Beschreibung der Wasserhaushaltsdynamik, zum anderen mit der Entwicklung eines zur quantitativen Analyse von Wasserhaushalts- und Stofftransportprozessen geeigneten Modells und der anschließenden Modellsimulation von Wasserhaushalt und Stickstoffmetabolik im Grundwasser sowie der Simulation von Landnutzungs- und Gewässerstrukturszenarien.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wasserhaushaltsprozesse und Stofftransportvorgänge innerhalb der grundwassergeprägten Talauenlandschaften von Tieflandeinzugsgebieten am Beispiel der im Nordostdeutschen Tiefland gelegenen Havel. Die Arbeiten in verschieden skaligen Teileinzugsgebieten der Havel beschäftigen sich dabei zum einen mit der experimentellen Untersuchung und vorrangig qualitativen Beschreibung der Wasserhaushaltsdynamik, zum anderen mit der Entwicklung eines zur quantitativen Analyse von Wasserhaushalts- und Stofftransportprozessen geeigneten Modells und der anschließenden Modellsimulation von Wasserhaushalt und Stickstoffmetabolik im Grundwasser sowie der Simulation von Landnutzungs- und Gewässerstrukturszenarien. Für die experimentelle Untersuchung der Abflussbildung und der Wasserhaushaltsprozesse in den Talauenlandschaften des Haveleinzugsgebiets wurde Einzugsgebiet der ”Unteren Havel Niederung“ ein umfangreiches Messnetz installiert. Dabei wurden an mehreren Messstationen und Pegeln meteorologische Parameter, Bodenfeuchte sowie Grundwasserstände und Abflüsse beobachtet. Die Analyse der Messergebnisse führte zu einem verbesserten Verständnis von Wasserhaushaltsprozessen in der durch das oberflächennahe Grundwasser und die Oberflächengewässerdynamik beeinflussten Talauenzone. Darüber hinaus konnten durch die Implementierung der Messergebnisse konsistente Anfangs- und Randbedingungen für die Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung im Modellkonzept IWAN realisiert werden. Mit dem Modell IWAN (Integrated Modelling of Water Balance and Nutrient Dynamics) wurde ein Werkzeug geschaffen, welches die Berücksichtigung spezifischer hydrologischer Eigenschaften von Tieflandauen, wie z. B. den Einfluss des oberflächennahen Grundwassers bzw. der Dynamik von Oberflächenwasserständen auf den Wasserhaushalt, ermöglicht. Es basiert auf der Kopplung des deterministischen distribuierten hydrologischen Modells WASIM-ETH mit dem dreidimensionalen Finite-Differenzen-basierten Grundwassermodel MODFLOW. Die Modellierung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser erfolgt durch das mit Grundwassermodell gekoppelte Stofftransportmodel MT3D. Zur modellbasierten Simulation des Wasserhaushalts der Tieflandauenlandschaften wurde das Modellkonzept IWAN für verschieden skalige Teileinzugsgebiete an der Havel für Simulationszeiträume von 2 Wochen bis zu 13 Jahren angewandt. Dabei wurden die Teilmodelle für Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung in zwei unterschiedlichen Teileinzugsgebieten der ”Unteren Havel Niederung“ kalibriert. Die anschließende Validierung erfolgte für das gesamte Einzugsgebiet der ”Unteren Havel“. Die Unsicherheiten des Modellansatzes sowie die Anwendbarkeit des Modells im Untersuchungsraum wurden geprüft und die Limitierung der Übertragbarkeit auf andere grundwasserbeeinflusste Tieflandeinzugsgebiete analysiert. Die Ergebnisse der Wasserhaushaltssimulationen führen einerseits zum erweiterten Prozessverständnis des Wasserhaushalts in Flachlandeinzugsgebieten, andererseits ermöglichten sie durch die Quantifizierung einzelner Prozessgrößen die Beurteilung der Steuerungsfunktion einzelner Wasserhaushaltsprozesse. Auf der Basis lokaler Simulationsergebnisse sowie geomorphologischer und gewässermorphologischer Analysen wurde ein Algorithmus entwickelt, welcher die Abgrenzung des direkten Eigeneinzugsgebiets der Havel als Raum der direkten Interaktion zwischen Oberflächengewässer und umgebendem Einzugsgebiet beschreibt. Durch Simulation des Wasserhaushalts im Eigeneinzugsgebiet mit dem Modell IWAN konnten die Interaktionsprozesse zwischen Fluss und Talauenlandschaft quantitativ beschrieben werden. Dies ermöglichte eine Bewertung der Abflussanteile aus dem Eigeneinzugsgebiet sowie eine Quantifizierung der zeitlich variablen Retentionskapazität der Auenlandschaft während Hochwasserereignissen. Zur Abschätzung des Einflusses veränderter Landnutzung und angepassten Managements auf den Wasserhaushalt der Talaue wurden Szenarien entwickelt, welche Änderungen der Landnutzung sowie der Gewässergeometrie implizieren. Die Simulation des Wasserhaushalts unter jeweiligen Szenariobedingungen ermöglichte die detaillierte Analyse sich ändernder Randbedingungen auf den Gebietswasserhaushalt und auf die Austauschprozesse zwischen Grundwasser und Oberflächengewässer. Zur Untersuchung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser der Talauenlandschaft wurde das im Modellkonzept IWAN integrierte Stofftransportmodell MT3D für das Eigeneinzugsgebiet der Havel angewandt. Dies ermöglichte eine Bilanzierung der aus dem Grundwasser des Eigeneinzugsgebiets stammenden Nitratfrachtanteile der Havel sowie von Nitratkonzentrationen im Grundwasser. Szenariensimulationen, welche verminderte Nitrateinträge aus der durchwurzelten Bodenzone annehmen, ermöglichten die Quantifizierung der Effizienz von Managementmaßnahmen und Landnutzungsänderungen in Hinblick auf die Minimierung von Einträgen in Grundwasser und Oberflächengewässer.
This paper examines the effect of spatially variable initial soil moisture and spatially variable precipitation on predictive uncertainty of simulated catchment scale runoff response in the presence of threshold processes. The underlying philosophy is to use a physically based hydrological model named CATFLOW as a virtual landscape, assuming perfect knowledge of the processes. The model, which in particular conceptualizes preferential flow as threshold process, was developed based on intensive process and parameter studies and has already been successfully applied to simulate flow and transport at different scales and catchments. Study area is the intensively investigated Weiherbach catchment. Numerous replicas of spatially variable initial soil moisture or spatially variable precipitation with the same geostatistical properties are conditioned to observed soil moisture and precipitation data and serve as initial and boundary conditions for the model during repeated simulations. The effect of spatially soil moisture on modeling catchment runoff response was found to depend strongly on average saturation of the catchment. Different realizations of initial soil moisture yielded strongly different hydrographs for intermediate initial soil moisture as well as in dry catchment conditions; in other states the effect was found to be much lower. This is clearly because of the threshold nature of preferential flow as well as the threshold nature of Hortonian production of overland flow. It was shown furthermore that the spatial pattern of a key parameter (macroporosity) that determined threshold behavior is of vast importance for the model response. The estimation of these patterns, which is mostly done based on sparse observations and expert knowledge, is a major source for predictive model uncertainty. Finally, it was shown that the usage of biased, i.e. spatially homogenized precipitation, input during parameter estimation yields a biased model structure, which gives poor results when used with highly distributed input. If spatially highly resolved precipitation was used during model parameter estimation. the predictive uncertainty of the model was clearly reduced. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved
Reductions in river discharge (water availability) like those from climate change or increased water withdrawal, reduce freshwater biodiversity. We combined two scenarios from the Intergovernmental Panel for Climate Change with a global hydrological model to build global scenarios of future losses in river discharge from climate change and increased water withdrawal. Applying these results to known relationships between fish species and discharge, we build scenarios of losses (at equilibrium) of riverine fish richness. In rivers with reduced discharge, up to 75% (quartile range 4-22%) of local fish biodiversity would be headed toward extinction by 2070 because of combined changes in climate and water consumption. Fish loss in the scenarios fell disproportionately on poor countries. Reductions in water consumption could prevent many of the extinctions in these scenarios
Zusammenfassung und Fazit Über die im ROG ausgewiesenen Möglichkeiten, Minderungs-, Ausgleichs- und Ersatzmaß-nahmen in die Entwicklung der anzustrebenden Freiraumstruktur einzubinden sowie mittels der entsprechenden Aussagemöglichkeiten v. a. der überörtlichen Landschaftsplanung las-sen sich für die Eingriffsregelung Verknüpfungen zur regionalen Ebene herstellen. Nicht nur die viel beklagte und durch exemplarische Auswertungen des brandenburgischen Eingriffs- und Kompensationsflächenkatasters (EKIS) z. T. auch tatsächlich nachweisbare Zersplitte-rung der Kompensationsflächen, sondern auch künftige Anforderungen zur Umsetzung eines Biotopverbunds nach $ 3 BNatSchG und der europäischen Wasserrahmenrichtlinie sowie die Sicherung des kohärenten Netzes NATURA 2000 machen die Notwendigkeit deutlich, die rechtlich angelegten Möglichkeiten einer übergreifenden, auf regionaler Ebene ansetzenden Lenkung von Kompensationsmaßnahmen stärker auszuschöpfen. Gesehen werden muss jedoch auch, dass ein solches stärker konzeptionell ("Top- down") bestimmtes Herangehen zwar fachlich wünschenswert ist, konkrete Erfahrungen aus der wissenschaftlichen Begleitung zum regionalen Flächenpool "Kulturlandschaft Mittlere Havel" jedoch darauf hindeuten, dass bei der Konzeption und Umsetzung regionaler Flächenpools zwei naturschutzfachliche Ebenen zu unterscheiden sind: Zum Einen besagte konzeptionell-strategische Planung und Vorbereitung auf der Zielebene, zum Anderen die Klärung der Ver-fügbarkeit einzelner Flächen und die konkrete, ins Detail gehende Maßnahmenplanung. Es ist wohl nur eingeschränkt realistisch, regionale Flächenpools ausschließlich über eine hie-rarchische "Top-down-Steuerung" mittels der Maßgaben von Landschaftsplanung und Raumordnung zu installieren, sondern im Gegenzug müssen im konkreten Flächenbezug die Klärung standörtlicher Flächeneignungen, der jeweiligen Flächenverfügbarkeiten, die Entwicklung örtlicher Projektgebiete sowie kooperative Verhandlungen mit den einzelnen örtli-chen Akteuren und Grundstückseigentümern erfolgen. Daraus lässt sich die Forderung ablei-ten, dass in der Diskussion um regionale Flächenpools neben der konzeptionellen Steuerung der Ebene der konkreten Maßnahmenspezifizierung und -durchführung verstärkte Aufmerk-samkeit gewidmet werden sollte, um im Zusammenwirken von "Top-Down"- und "Bottom- up"-Ansätzen zu einem effektiven Kompensationsmanagement zu gelangen.
At present, carbon sequestration in terrestrial ecosystems slows the growth rate of atmospheric CO2 concentrations, and thereby reduces the impact of anthropogenic fossil fuel emissions on the climate system. Changes in climate and land use affect terrestrial biosphere structure and functioning at present, and will likely impact on the terrestrial carbon balance during the coming decades - potentially providing a positive feedback to the climate system due to soil carbon releases under a warmer climate. Quantifying changes, and the associated uncertainties, in regional terrestrial carbon budgets resulting from these effects is relevant for the scientific understanding of the Earth system and for long-term climate mitigation strategies. A model describing the relevant processes that govern the terrestrial carbon cycle is a necessary tool to project regional carbon budgets into the future. This study (1) provides an extensive evaluation of the parameter-based uncertainty in model results of a leading terrestrial biosphere model, the Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model (LPJ-DGVM), against a range of observations and under climate change, thereby complementing existing studies on other aspects of model uncertainty; (2) evaluates different hypotheses to explain the age-related decline in forest growth, both from theoretical and experimental evidence, and introduces the most promising hypothesis into the model; (3) demonstrates how forest statistics can be successfully integrated with process-based modelling to provide long-term constraints on regional-scale forest carbon budget estimates for a European forest case-study; and (4) elucidates the combined effects of land-use and climate changes on the present-day and future terrestrial carbon balance over Europe for four illustrative scenarios - implemented by four general circulation models - using a comprehensive description of different land-use types within the framework of LPJ-DGVM. This study presents a way to assess and reduce uncertainty in process-based terrestrial carbon estimates on a regional scale. The results of this study demonstrate that simulated present-day land-atmosphere carbon fluxes are relatively well constrained, despite considerable uncertainty in modelled net primary production. Process-based terrestrial modelling and forest statistics are successfully combined to improve model-based estimates of vegetation carbon stocks and their change over time. Application of the advanced model for 77 European provinces shows that model-based estimates of biomass development with stand age compare favourably with forest inventory-based estimates for different tree species. Driven by historic changes in climate, atmospheric CO2 concentration, forest area and wood demand between 1948 and 2000, the model predicts European-scale, present-day age structure of forests, ratio of biomass removals to increment, and vegetation carbon sequestration rates that are consistent with inventory-based estimates. Alternative scenarios of climate and land-use change in the 21<sup>st century suggest carbon sequestration in the European terrestrial biosphere during the coming decades will likely be on magnitudes relevant to climate mitigation strategies. However, the uptake rates are small in comparison to the European emissions from fossil fuel combustion, and will likely decline towards the end of the century. Uncertainty in climate change projections is a key driver for uncertainty in simulated land-atmosphere carbon fluxes and needs to be accounted for in mitigation studies of the terrestrial biosphere.
A fine-grained slope that exhibits slow movement rates was investigated to understand how geohydrological processes contribute to a consecutive development of mass movements in the Vorarlberg Alps, Austria. For that purpose intensive hydrometeorological, hydrogeological and geotechnical observations as well as surveying of surface movement rates were conducted during 1998-2001. Subsurface water dynamics at the creeping slope turned out to be dominated by a three-dimensional pressure system. The pressure reaction is triggered by fast infiltration of surface water and subsequent lateral water flow in the south-western part of the hillslope. The related pressure signal was shown to propagate further downhill, causing fast reactions of the piezometric head at 5.5 m depth on a daily time scale. The observed pressure reactions might belong to a temporary hillslope water body that extends further downhill. The related buoyancy forces could be one of the driving forces for the mass movement. A physically based hydrological model was adopted to model simultaneously surface and subsurface water dynamics including evapotranspiration and runoff production. It was possible to reproduce surface runoff and observed pressure reactions in principle. However, as soil hydraulic functions were only estimated on pedotransfer functions, a quantitative comparison between observed and simulated subsurface dynamics is not feasible. Nevertheless, the results suggest that it is possible to reconstruct important spatial structures based on sparse observations in the field which allow reasonable simulations with a physically based hydrological model. Copyright (c) 2005 John Wiley & Sons, Ltd
One of the mechanisms for sudden particle release is a decrease in groundwater salt concentration to below the critical salt concentration (CSC), where repulsion forces between fine particles and matrix surfaces exceed binding forces. In this paper, an attempt was made to determine the CSC with both batch and column experiments. Two types of sediments were tested: (a) homogeneous quartz sand and (b) mineralogically heterogeneous sediment, taken from the Hanford formation in southeast Washington. Stepwise decreasing concentrations of NaNO3 solution were applied until fine particles were released from the sediments and the CSC was determined. Two methods were used to minimize the interference of particle release due to physical forces (shear stress) in the batch experiments: (a) postexperimental correction for mechanical effects, and (b) minimization of shear stress on the sediments during the experiment. CSCs from batch experiments were compared to those obtained from column experiments. It was found that both the amount of particles released and the CSC were an order of magnitude higher for the Hanford sediment than for the Sand. Moreover, particle detachment above the CSC was observed for the Hanford sediment. This suggests that the concept of sharp CSCs could be problematic in natural heterogeneous sediments where fine particles may mobilize at salt concentrations significantly above the CSC, thus unexpectedly enhancing colloid-facilitated transport of contaminants. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved