Title: Runoff event characteristics and their controls for different runoff generation mechanisms
Other Titles: Eigenschaften und Einflussgrößen von Abflussereignissen für unterschiedliche Abflussbildungsprozesse
Language: English
Authors: Chen, Xiaofei 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Blöschl, Günter 
Parajka, Juraj 
Issue Date: 2020
Number of Pages: 126
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Das Verständnis der Faktoren, die das Verhalten und die raum-zeitliche Variabilität von Abflussereignissen beeinflussen, ist für viele praktische und wissenschaftliche Problemstellungen notwendig, wie etwa die wasserbauliche Bemessung, Hochwasserrisikovorhersage, Wasser- und Landmanagement, oder die diagnostische Bewertung von Abflussbildungsprozessen.Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Einflussfaktoren der Abflussbildungsprozesse je nach räumlicher Skala unterscheiden. Während vorwiegend Infiltrationsrate, Änderungen der Bodenfeuchtigkeit und Konnektivität die lokalen Abflussbildungsprozesse beeinflussen, sind es auf der regionalen Skala das Klima, die physiographischen Eigenschaften und das Abflussregime. Das Abflussverhalten auf der Skala von kleinen Einzugsgebieten ist allerdings noch nicht vollständig erforscht.Diese Dissertation stellt sich daher die folgenden Ziele: (a) die räumliche und zeitliche Variabilität des Abflussverhaltens während Niederschlagsereignissen auf der Skala von kleinen Einzugsgebieten zu untersuchen; (b) die Faktoren, die die Variabilität des Abflussverhaltens beeinflussen, zu identifizieren; (c) die Rolle verschiedener Abflussbildungsprozesse und unterirdischer hydrogeologischer Eigenschaften bei der Abflussbildung zu analysieren.Die Dissertation ist in fünf Kapitel gegliedert. Kapitel 1 beschreibt das Ziel und den Kontext der Arbeit. Kapitel 2 untersucht die räumliche und zeitliche Variabilität der Eigenschaften der Abflussereignisse in einem kleinen Einzugsgebiet. Die Untersuchung basiert auf umfangreichen hydrologischen Beobachtungen an neun Pegeln im Hydrologic Open Air Laboratory (HOAL, Petzenkirchen, Österreich), deren Kleinsteinzugsgebiete verschiedene Abflussbildungsprozesse repräsentieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Abflussbeiwerte (Rc) und ihre Variabilität am höchsten sind in den drainagierten Gebieten (durchschnittlicher Rc=0.09) und am Gebietsauslass (durchschnittlicher Rc=0.08). Die Rc der drainagierten Gebiete sind oft mehr als zweimal größer als die der natürlichen Gebiete, und Rc ändert sich je nach Jahreszeit. Die Rezessionszeitkonstanten (Tc) unterscheiden sich nur gering zwischen den Abflussbildungsprozessen. Sie sind am größten für den Gebietsauslass (durchschnittliches Tc=6.5 Stunden) und am kleinsten in den drainagierten Gebieten (durchschnittliches Tc=4.5 Stunden). Die Ergebnisse zeigen, dass der Grundwasserspiegel die zeitliche Variabilität von Rc und Tc besser erklärt, als die Bodenfeuchte oder der Niederschlag. Diese Ergebnisse weisen auf die wichtige Rolle der oberflächlichen Fließwege bei den Abflussbildungsprozessen in kleinen Einzugsgebieten hin.In Kapitel 3 werden Faktoren identifiziert, die die Variabilität von Rc und Tc im HOAL steuern. Die relative Bedeutung der Einflussgrößen auf Rc und Tc für unterschiedliche Abflussbildungsprozesse wird mit drei regressionsbasierten Machine-Learning Techniken evaluiert, Random Forests, Gradient Boost Decision Trees und Support Vector Machines (SVM). Die Ergebnisse zeigen, dass der SVM Algorithmus die besten Ergebnisse liefert, und die Ergebnisse für Rc besser sind als für Tc. Die Bewertung der relativen Wichtigkeit der Erklärungsvariablen zeigt, dass Rc der drainagierten Gebiete von der Wettersituation stärker beeinflusst wird als vom hydrologischen Zustand des Einzugsgebiets. Das Gegenteil trifft für die natürlichen Gebiete zu. Insgesamt hängt die Modellgüte in diesem kleinen Einzugsgebiet stark von den Abflussbildungsprozessen ab. Obwohl die Geologie häufig als wichtiger Faktor für die Abflussbildung und Abflusskonzentration genannt wird, ist es wegen des Mangels an detaillierten geologischen Feldmessungen nicht einfach, das Abflusssignal den unterirdischen und geologische Bedingungen zuzuordnen. Das Ziel des Kapitels 4 ist es, die Variabilität von Abflussereignissen in kleinen und mittleren Einzugsgebieten mit dem Klima und der Geologie zu verknüpfen. Es untersucht daher den Einfluss von Klima (das Niederschlagsvolumen während der Ereignisse, die Niederschlagsintensität und der Vorregen) und Abflussregime (der initiale Abfluss vor einem Ereigniss und die Ereignisdauer) auf die saisonale Dynamik der Abflussreaktion von Einzugsgebieten mit unterschiedlichen hydrogeologischen Eigenschaften, die durch Feldbeobachtungen charakterisiert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die hydrogeologischen Feldbeobachtungen helfen können, die Reaktion des Einzugsgebiets auf Niederschläge zu erklären und ihren Ursachen zuzuordnen. Das Einzugsgebiet mit dem höchsten Niederschlagsvolumen, der niedrigsten Durchlässigkeit, steilen Hängen und dem höchsten Anteil von Flächen mit oberflächlichem Zwischenabfluss hat die größten Rc, die höchsten Abflussspitzen und die schnellste Reaktion. Die Einzugsgebiete, die trockener sind und einen hohen Anteil von Flächen mit tiefem Grundwasser haben, besitzen hingegen die kleinsten Rc, die kleinsten Abflussspitzen und das längste Tc.Das letzte Kapitel präsentiert eine Synthese der Ergebnisse, einen Ausblick auf die zukünftige Forschung und die Schlussfolgerungen. Insgesamt erweitern die Ergebnisse dieser Dissertation unser Verständnis der Variabilität der Eigenschaften des Abflusses bei Niederschlagsereignissen in kleinen Einzugsgebieten. Während frühere Studien gezeigt haben, dass das Klima und der mittlere Jahresniederschlag den Abfluss auf der regionalen Skala beeinflussen, sind es auf der Skala von kleinen Einzugsgebieten primär die Abflussmechanismen. Die Dissertation zeigt, dass der Grundwasserspiegel die Variabilität der Abflussbildung in kleinen landwirtschaftlichen Einzugsgebieten mehr beeinflusst als der Niederschlag und die Bodenfeuchte. Dieses Ergebnis weist auf die bedeutende Rolle der Konnektivität und der Lage der Fließwege hin. Die Verwendung von hydrogeologischen Feldbeobachtungen kann sehr hilfreich sein für die Interpretation der räumlichen und zeitlichen Eigenschaften des Abflusses bei Niederschlagsereignissen. Die Dissertation gibt illustrative Beispiele der Zusammenhänge zwischen Geologie, Klima und Abflussbildung. Sie demonstriert den Wert von langfristigen hydrologischen und hydrogeologischen Feldbeobachtungen, die wesentlich sind, um die Abflussbildung in mittleren Einzugsgebieten besser zu verstehen. Damit entsteht eine Grundlage für genauere Abflussvorhersagen und für die Skalierung auf die regionale Skala.

Understanding the factors controlling event runoff and its variability in space and time is essential for solving many practical and scientific problems related to engineering design, flood risk prediction, water and agricultural management and the diagnostic evaluation of runoff generation processes.Previous investigations have shown that the controls on event runoff differ between spatial scales. While infiltration rate, change in soil water storage and spatial connectivity are the main controls of the runoff response at the plot and hillslope scales, climate, physiographic characteristics and the runoff regime are the main controls at the regional scale. The event runoff characteristics at the small catchment scale are, however, still not fully understood.The objective of this thesis is thus: (a) to investigate the spatial and temporal variability of event runoff characteristics at the small catchment scale; (b) to identify and evaluate the factors that control their variability; (c) to examine the role of different runoff generation mechanisms and subsurface hydrogeological characteristics in runoff response.The thesis is organized into five chapters. Chapter 1 introduces the research context and the main objectives of the thesis. Chapter 2 examines the spatial and temporal variability of event runoff characteristics at the small catchment scale. The analysis is based on detailed hydrological observations at nine streamflow gauging stations in the Hydrologic Open Air Laboratory (HOAL, Petzenkirchen, Austria), where the gauged subcatchments represent different runoff generation systems. The results show that the runoff coefficients (Rc) and their variability tend to be largest for the tile drainages (mean Rc=0.09) and the main outlet (mean Rc=0.08). The magnitude of Rc for the tile drainage catchments is more than two times higher than in natural drainage systems and varies between the seasons. The recession time constants (Tc) do not differ much between different runoff generation systems and tend to be largest at the main outlet (mean Tc =6.5 hrs) and smallest for the tile drainages (mean Tc=4.5 hrs). The evaluation of the role of event precipitation, soil moisture and groundwater levels on the event runoff characteristics indicates that groundwater levels explain the temporal variability of Rc and Tc better than soil moisture or precipitation. These findings suggest an essential role of shallow flow paths for event runoff generation at the small catchment scale.Chapter 3 identifies factors that control the variability of event Rc and Tc in the HOAL. Evaluation of the relative importance of the controls in individual runoff generation systems is based on three regression-based machine-learning techniques, i.e. Random Forests, Gradient Boost Decision Trees and Support Vector Machines (SVM). The results show that the SVM algorithm obtains the best model performance, and the performance is larger for Rc than that for Tc. The assessment of the relative importance of the explanatory variables suggests that Rc of the tile drainage systems is more strongly controlled by the weather conditions than by the catchment state. In contrast, the opposite is true for natural drainage systems. Overall, model performance at the small catchment scale strongly depends on the runoff generation type.Although geology is often cited as an important factor driving event runoff response at the catchment scale, missing detailed field geological observations often limit the attribution of event runoff response to subsurface and geological conditions. The aim of Chapter 4 is to link the variability of event runoff to climate and geology characteristics in small and medium catchments. The role of climate (i.e. event precipitation volume, precipitation intensity and antecedent precipitation) and runoff regime (i.e. initial flow before runoff event and event duration) characteristics in the context of the seasonal dynamics of runoff response is examined in different hydro-geological settings by detailed field mapping. The results show that the hydro-geological mapping helps to explain and attribute the characteristics of runoff response. The largest Rc, largest event peaks and the fastest recessions are observed in the catchment with the largest precipitation, lowest permeability, steep hillslopes, and with a large proportion of areas characterized by shallow interflow processes. In contrast, catchments that are drier and have a significant portion of deep groundwater flow and largest permeability are characterized by the lowest Rc, lowest event peaks and longest Tc.The final part of the thesis provides a synthesis of the findings, an outlook to future research and the conclusions. Overall, the findings of the thesis complement the current understanding of the variability of event runoff characteristics at the small catchment scale. While previous studies have showed that climate and mean annual precipitation controls runoff response at the regional scale, at the small catchment scale the event runoff response is predominantly related to the main runoff generation mechanism. The thesis demonstrates that in small agricultural catchments, groundwater levels explain the variability of runoff response better than soil moisture or precipitation, suggesting an important role of connectivity and the location of flow paths. The use of field mapping of hydro-geological flow paths has shown the importance and usefulness of such information for interpreting the spatial and temporal variability of event runoff characteristics. The thesis provides illustrative examples of the link between geology, climate and runoff response. It demonstrates the value of detailed long term hydrological observations and field hydro-geological mapping for understanding the runoff response at the medium catchment scale, which provides an avenue toward improving predictions of event runoff and transferring them to a regional scale.
Keywords: Abflussereignisse; Abflussbildungsprozesse
runoff event; runoff generation mechanisms
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2021.87200
http://hdl.handle.net/20.500.12708/16682
DOI: 10.34726/hss.2021.87200
Library ID: AC16121873
Organisation: E222 - Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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