Linking hydrological process patterns in a small catchment

Abstract

Die vorliegende Untersuchung hydrologischer Prozesse in kleinen Einzugsgebieten ist ein Beitrag, der sich zur Aufgabe gemacht hat, Niederschlag-Abfluss Prozesse besser zu verstehen. Die Ergebnisse sind nicht nur aus wissenschaftlicher Perspektive hilfreich, sondern auch für die wasserwirtschaftliche Praxis um das Hochwasser- und Dürrerisiko genauer beurteilen zu können, und operationelle Vorhersagen des Abflusses zu verbessern.Das Ziel dieser Dissertation ist es, die Zusammenhänge zwischen beobachteten hydrologischen Prozessen in einem kleinen Einzugsgebiet, dem Hydrological Open Air Laboratory (HOAL), mit Hilfe von vergleichenden Datenanalysen und hydrologischer Modellierung zu beschreiben und zu verstehen. Mit Hilfe dieser Untersuchungen sollen die Kenntnisse über die Niederschlag-Abfluss Prozesse erweitert und Wege aufgezeigt werden, Feldbeobachtungen mit Modellsimulationen der Wasserspeicherung in unterschiedlichen Bereichen eines Gebietes zu verknüpfen. Die wissenschaftliche Fragestellung behandelt den Mehrwert von umfangreichen Feldbeobachtungen für die Güte der Modellkalibrierung mit und ohne Nutzung von Abflussdaten.Die Dissertation ist in fünf Kapitel gegliedert. Kapitel 1 beschreibt das Ziel der Arbeit, den Kontext und beinhaltet eine kurze Einführung in die Niederschlag-Abfluss Modellierung. Kapitel 2 untersucht die Interaktion zwischen Abfluss, der Uferrandzone und den Ackerflächen während niederschlagsfreien Perioden. Die raum-zeitliche Variabilität der täglichen Abflussfluktuationen wird untersucht und ein Modell wird vorgestellt, das durch Sonneneinstrahlung angetrieben wird, um das Verdunstungsvolumen und die Verzögerungszeiten zwischen Verdunstung und Strahlungsantrieb zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass die raum-zeitliche Variabilität der Abflussfluktuationen durch die Vegetation und die Abflussprozesse erklären werden kann und der größte Teil der täglichen Abflussfluktuationen beim Auslass des Einzugsgebiets durch die Verdunstung der Uferrandzone bestimmt wird. Die Ergebnisse der Modellsimulationen zeigen, dass die Verzögerungszeiten zwischen Sonneneinstrahlung und deren Auswirkung auf den Abfluss eine starke Saisonalität aufweisen, wobei die Verzögerungszeiten die sich vom Frühjahr bis zum Sommer zunehmen, und vom Sommer bis zum Herbst zurückgehen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die täglichen Schwankungen des Abflusses hauptsächlich durch das Gebiet in der Nähe des Baches beeinflusst werden, während die saisonalen Schwankungen des Abflusses durch das gesamte Einzugsgebiet beeinflusst werden.Kapitel 3 beschäftigt sich mit dem Mehrwert von Feldbeobachtungen für die Kalibrierung von Abflussmodellen für kleine Einzugsgebiete. Ein konzeptionelles Modell ähnlich zu HBV wird durch eine stufenweise Parametrisierung kalibriert. Die drei Module des Modells werden mit Hilfe von verschiedenen Feldbeobachtungen, die über die Beobachtung des Abfluss hinaus gehen, kalibriert. Die Ergebnisse zeigen, dass die gesamte Prozesskonsistenz mit dieser neuen Herangehensweise, im Vergleich zu einer reinen Abflusskalibrierung, verbessert wird. Beobachtungen von Bodenfeuchte und Verdunstung haben den größten Einfluss auf den simulierten Abfluss in diesem Einzugsgebiet. Die Parametrisierung der Module von Schnee und Abflussbildung hat einen geringeren Einfluss.In Kapitel 4 wird der Nutzen von Proxy Daten für die Kalibrierung eines konzeptuellen Modells für ein kleines, unbeobachtetes Einzugsgebiet untersucht. Ähnlich zu Kapitel 3 werden die drei Module des Modells, unter Berücksichtigung aller Feldbeobachtungen mit Ausnahme des Abflusses, schrittweise kalibriert. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, nur mit Hilfe von Schnee- und Bodenfeuchtemessungen den Abfluss so gut wie mit reiner Abflusskalibrierung zu simulieren. Zusätzlich kann durch diese Vorgangsweise die Simulation von Zustandsvariablen verbessert werden. Die Dissertation schließt mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen.Diese Dissertation erweitert die Kenntnisse über die Niederschlag-Abflussprozesse und die Zusammenhänge zwischen verschiedenen Komponenten der Wasserspeicherung innerhalb eines Einzugsgebiets. Es werden neue Techniken entwickelt, um das Verdunstungsvolumen während trockener Perioden zu bestimmen und um konzeptuelle hydrologische Modelle mit Hilfe von Feldbeobachtungen mit und ohne Berücksichtigung von Abflussmessungen zu parametrisieren.Durch die zusätzliche Messung von verschiedenen Elementen des Wasserkreislaufs erreichen wir ein besseres Verständnis der Wasserbilanz in kleinen, landwirtschaftlichen Einzugsgebieten, mit und ohne Abflussbeobachtungen. Dadurch, dass wir die Abflussmessungen mit dem Verständnis verschiedener Abflussprozessen, der Nettostrahlung, der mittels Eddy-Kovarianz gemessen Verdunstung und Grundwasserspiegelstände verknüpfen konnten, verstehen wir nun besser, wie sich das Einzugsgebiet während Trockenperioden verhält. Wir verstehen, dass die Verdunstung auf den Ackerflächen in größerer Entfernung des Baches wenig Einfluss auf den Abfluss auf der Tagesskale haben, da diese Flächen vom Abfluss im Bach hydrologisch entkoppelt sind. Mit Hilfe von zum Abfluss ergänzenden Feldbeobachtungen, wie zum Beispiel Niederschlagstyp, Schneelage, Bodenfeuchte, Verdunstung, Oberflächenabfluss, Veränderungen in der Speicherung der gesättigten Zone, kann die Simulation des Abflusses, der hydrologischen Zustandsvariablen und damit auch die Modellkonsistenz verbessert werden. Diese Verbesserungen sind ein wichtiger Schritt für die genauere Simulation der Realität durch das Modell - dem Hauptziel jeder Modellierung.

Investigating hydrological process patterns in small catchments provides a way to better understand the rainfall-runoff transformation, which is useful not only for the wider scientific community, but also for practitioners working in water resources management, risk and operational forecasting in order to improve hydrological predictions.The objective of this thesis is to understand and describe the links between observed hydrological process patterns of various variables in a small experimental catchment, the Hydrological Open Air Laboratory (HOAL) by using comparative data analyses and integrated hydrological modelling. The main aim is to advance the understanding of dynamic catchment behavior and to investigate methods of linking field observations with hydrological modelling of different water storages and their interactions. The main research question is to explore the value of extensive field observations for improving hydrological models with and without runoff observations.The thesis is organized into five chapters. Chapter 1 presents the main objectives and introduces the hydrological modelling context for the following chapters. Chapter 2 examines the interaction between streamflow, the riparian zone, and the crop fields during rainless periods. In this chapter, the spatial and temporal variabilities of daily streamflow fluctuations are explored and a solar radiation driven model is proposed to reproduce these fluctuations and the time lags between the radiative forcing and diel streamflow fluctuations. The results indicate that vegetation cover and runoff generation mechanisms determine the magnitudes of the streamflow fluctuations. Most of the volume associated with the diel streamflow fluctuations at the catchment outlet is explained by transpiration from the riparian forest along the main stream. Results of the model simulations show that the time lags have a strong seasonality increasing from spring to summer and decreasing from summer to autumn. These results suggest that the diel variations in streamflow are mostly controlled by the area close to the stream while the seasonal variations in streamflow are controlled by the entire catchment area.Chapter 3 investigates the value of different field observations for calibrating a rainfall runoff model for small basins. An HBV type, spatially lumped hydrological model is calibrated using a new step-by-step parametrization approach, where the three modules of the model are calibrated using different data types besides runoff. Results indicate that by using the new approach, the overall process consistency improves, compared to model simulations when only runoff is used for model calibration. Soil moisture and evapotranspiration observations are found to have the largest influence on simulated runoff, while the parameterization of the snow and runoff generation modules have a smaller influence in case of this catchment. Chapter 4 investigates the prediction of runoff using proxy data in a small ungauged catchment. Similarly to Chapter 3, the three modules of a conceptual hydrological model are calibrated step-by-step using all the available field observations except runoff. The results indicate that by using snow and soil moisture information for model calibration, the runoff model performance is comparable to the scenario when the model is calibrated using only runoff data and the simulation of state variables such as snow cover and soil moisture also improves. The thesis concludes with a summary of the main findings and conclusions.This thesis has advanced the understanding of dynamic catchment behavior and the interconnection between different storages of water within the catchment. This work has developed new techniques for estimating evapotranspiration rates during rainless periods and for parameterizing conceptual hydrological models using field observations besides and without runoff.By using additional observations of water fluxes and storages, we are able to better understand and estimate the water balance components in gauged and ungauged small agricultural catchments. By using streamflow observations related to different runoff generation mechanisms, net radiation, evapotranspiration (measured by eddy covariance systems), and groundwater measurements, we now have a better understanding of how the catchment behaves during rainless periods. For example, the crop fields further away from the stream tend to disconnect from the stream and therefore evapotranspiration seen by the streamflow fluctuations is not influenced by the crop fields at the daily scale. By using additional observations of the hydrological cycle besides runoff, such as the precipitation phase, snow, soil moisture, actual evapotranspiration, overland flow and storage change in the saturated zone, we are able to improve the simulations of state variables and runoff, and therefore the model consistency. This step is useful for reproducing reality more accurately which is the general goal of every modelling study.