dc.description.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.
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