dc.description.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.
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