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This case study evaluates the suitability of radar-based quantitative precipitation estimates (QPEs) for the simulation of streamflow in the Marikina River Basin (MRB), the Philippines. Hourly radar-based QPEs were produced from reflectivity that had been observed by an S-band radar located about 90 km from the MRB. Radar data processing and precipitation estimation were carried out using the open source library wradlib. To assess the added value of the radar-based QPE, we used spatially interpolated rain gauge observations (gauge-only (GO) product) as a benchmark. Rain gauge observations were also used to quantify rainfall estimation errors at the point scale. At the point scale, the radar-based QPE outperformed the GO product in 2012, while for 2013, the performance was similar. For both periods, estimation errors substantially increased from daily to the hourly accumulation intervals. Despite this fact, both rainfall estimation methods allowed for a good representation of observed streamflow when used to force a hydrological simulation model of the MRB. Furthermore, the results of the hydrological simulation were consistent with rainfall verification at the point scale: the radar-based QPE performed better than the GO product in 2012, and equivalently in 2013. Altogether, we could demonstrate that, in terms of streamflow simulation, the radar-based QPE can perform as good as or even better than the GO product - even for a basin such as the MRB which has a comparatively dense rain gauge network. This suggests good prospects for using radar-based QPE to simulate and forecast streamflow in other parts of the Philippines where rain gauge networks are not as dense.
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
An ensemble of 10 hydrological models was applied to the same set of land use change scenarios. There was general agreement about the direction of changes in the mean annual discharge and 90% discharge percentile predicted by the ensemble members, although a considerable range in the magnitude of predictions for the scenarios and catchments under consideration was obvious. Differences in the magnitude of the increase were attributed to the different mean annual actual evapotranspiration rates for each land use type. The ensemble of model runs was further analyzed with deterministic and probabilistic ensemble methods. The deterministic ensemble method based on a trimmed mean resulted in a single somewhat more reliable scenario prediction. The probabilistic reliability ensemble averaging (REA) method allowed a quantification of the model structure uncertainty in the scenario predictions. It was concluded that the use of a model ensemble has greatly increased our confidence in the reliability of the model predictions.
This paper introduces the project on 'Assessing the impact of land use change on hydrology by ensemble modeling (LUCHEM)' that aims at investigating the envelope of predictions on changes in hydrological fluxes due to land use change. As part of a series of four papers, this paper outlines the motivation and setup of LUCHEM, and presents a model intercomparison for the present-day simulation results. Such an intercomparison provides a valuable basis to investigate the effects of different model structures on model predictions and paves the ground for the analysis of the performance of multi-model ensembles and the reliability of the scenario predictions in companion papers. in this study, we applied a set of 10 lumped, semi-lumped and fully distributed hydrological models that have been previously used in land use change studies to the low mountainous Dill catchment. Germany. Substantial differences in model performance were observed with Nash-Sutcliffe efficiencies ranging from 0.53 to 0.92. Differences in model performance were attributed to (1) model input data, (2) model calibration and (3) the physical basis of the models. The models were applied with two sets of input data: an original and a homogenized data set. This homogenization of precipitation, temperature and leaf area index was performed to reduce the variation between the models. Homogenization improved the comparability of model simulations and resulted in a reduced average bias, although some variation in model data input remained. The effect of the physical differences between models on the long-term water balance was mainly attributed to differences in how models represent evapotranspiration. Semi-lumped and lumped conceptual models slightly outperformed the fully distributed and physically based models. This was attributed to the automatic model calibration typically used for this type of models. Overall, however, we conclude that there was no superior model if several measures of model performance are considered and that all models are suitable to participate in further multi-model ensemble set-ups and land use change scenario investigations.
Probleme, Grenzen und Herausforderungen der hydrologischen Modellierung: Wasserhaushalt und Abfluss
(2004)
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 flash-flood in Braunsbach in the north-eastern part of Baden-Wuerttemberg/Germany was a particularly strong and concise event which took place during the floods in southern Germany at the end of May/early June 2016. This article presents a detailed analysis of the hydro-meteorological forcing and the hydrological consequences of this event. A specific approach, the "forensic hydrological analysis" was followed in order to include and combine retrospectively a variety of data from different disciplines. Such an approach investigates the origins, mechanisms and course of such natural events if possible in a "near real time" mode, in order to follow the most recent traces of the event. The results show that it was a very rare rainfall event with extreme intensities which, in combination with catchment properties, led to extreme runoff plus severe geomorphological hazards, i.e. great debris flows, which together resulted in immense damage in this small rural town Braunsbach. It was definitely a record-breaking event and greatly exceeded existing design guidelines for extreme flood discharge for this region, i.e. by a factor of about 10. Being such a rare or even unique event, it is not reliably feasible to put it into a crisp probabilistic context. However, one can conclude that a return period clearly above 100 years can be assigned for all event components: rainfall, peak discharge and sediment transport. Due to the complex and interacting processes, no single flood cause or reason for the very high damage can be identified, since only the interplay and the cascading characteristics of those led to such an event. The roles of different human activities on the origin and/or intensification of such an extreme event are finally discussed. (C) 2018 Elsevier B.V. All rights reserved.
Flood generation in mountainous headwater catchments is governed by rainfall intensities, by the spatial distribution of rainfall and by the state of the catchment prior to the rainfall, e. g. by the spatial pattern of the soil moisture, groundwater conditions and possibly snow. The work presented here explores the limits and potentials of measuring soil moisture with different methods and in different scales and their potential use for flood simulation. These measurements were obtained in 2007 and 2008 within a comprehensive multi-scale experiment in the Weisseritz headwater catchment in the Ore-Mountains, Germany. The following technologies have been applied jointly thermogravimetric method, frequency domain reflectometry (FDR) sensors, spatial time domain reflectometry (STDR) cluster, ground-penetrating radar (GPR), airborne polarimetric synthetic aperture radar (polarimetric SAR) and advanced synthetic aperture radar (ASAR) based on the satellite Envisat. We present exemplary soil measurement results, with spatial scales ranging from point scale, via hillslope and field scale, to the catchment scale. Only the spatial TDR cluster was able to record continuous data. The other methods are limited to the date of over-flights (airplane and satellite) or measurement campaigns on the ground. For possible use in flood simulation, the observation of soil moisture at multiple scales has to be combined with suitable hydrological modelling, using the hydrological model WaSiM-ETH. Therefore, several simulation experiments have been conducted in order to test both the usability of the recorded soil moisture data and the suitability of a distributed hydrological model to make use of this information. The measurement results show that airborne-based and satellite-based systems in particular provide information on the near-surface spatial distribution. However, there are still a variety of limitations, such as the need for parallel ground measurements (Envisat ASAR), uncertainties in polarimetric decomposition techniques (polarimetric SAR), very limited information from remote sensing methods about vegetated surfaces and the non-availability of continuous measurements. The model experiments showed the importance of soil moisture as an initial condition for physically based flood modelling. However, the observed moisture data reflect the surface or near-surface soil moisture only. Hence, only saturated overland flow might be related to these data. Other flood generation processes influenced by catchment wetness in the subsurface such as subsurface storm flow or quick groundwater drainage cannot be assessed by these data. One has to acknowledge that, in spite of innovative measuring techniques on all spatial scales, soil moisture data for entire vegetated catchments are still today not operationally available. Therefore, observations of soil moisture should primarily be used to improve the quality of continuous, distributed hydrological catchment models that simulate the spatial distribution of moisture internally. Thus, when and where soil moisture data are available, they should be compared with their simulated equivalents in order to improve the parameter estimates and possibly the structure of the hydrological model.
In recent years, urban and rural flash floods in Europe and abroad have gained considerable attention because of their sudden occurrence, severe material damages and even danger to life of inhabitants. This contribution addresses questions about possibly changing environmental conditions which might have altered the occurrence frequencies of such events and their consequences. We analyze the following major fields of environmental changes.
Altered high intensity rain storm conditions, as a consequence of regionalwarming; Possibly altered runoff generation conditions in response to high intensity rainfall events; Possibly altered runoff concentration conditions in response to the usage and management of the landscape, such as agricultural, forest practices or rural roads; Effects of engineering measures in the catchment, such as retention basins, check dams, culverts, or river and geomorphological engineering measures.
We take the flash-flood in Braunsbach, SW-Germany, as an example, where a particularly concise flash flood event occurred at the end of May 2016. This extreme cascading natural event led to immense damage in this particular village. The event is retrospectively analyzed with regard to meteorology, hydrology, geomorphology and damage to obtain a quantitative assessment of the processes and their development.
The results show that it was a very rare rainfall event with extreme intensities, which in combination with catchment properties and altered environmental conditions led to extreme runoff, extreme debris flow and immense damages. Due to the complex and interacting processes, no single flood cause can be identified, since only the interplay of those led to such an event. We have shown that environmental changes are important, but-at least for this case study-even natural weather and hydrologic conditions would still have resulted in an extreme flash flood event.