Die Berücksichtigung der flächenhaften bodenhydraulischen Variabilität gilt bei der Modellierung von Wasser- und Stofftransportprozessen als problematisch. Dies liegt vorrangig an ihrer Erfassung, die kosten- und zeitintensiv ist. Die vorliegende Arbeit untersucht verschiedene Messstrategien, die zur Abbildung der flächenhaften Bodenhydraulik mit wenigen, einfach zu bestimmenden und physikalisch begründeten Bodenparametern führen. Die Vorgehensweise erfolgt mit der Anwendung eines Ähnlichkeitskonzeptes, das die Böden in bodenhydraulisch ähnliche Klassen unterteilt. Innerhalb einer Klasse kann die Variabilität der Retentions- und hydraulischen Leitfähigkeitcharakteristik auf einen freien Parameter (Skalierungsparameter) reduziert werden. Die Analyse der Zusammenhänge zwischen Boden- und Skalierungsparametern führt letztendlich zu den geeigneten Parametern die eine flächenhafte Abbildung möglich machen. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für die weitere Entwicklung eines stochastischen Modellansatzes, der die Variabilität der Bodenhydraulik bei der Modellierung des Bodenwassertransportes im Feldmaßstab berücksichtigen kann. An Hand von drei Datensätzen unterschiedlicher Skalenausbreitung konnte dieses Konzept angewendet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Beschreibung der hydraulischen Variabilität nur für die vertikale (Profil) nicht aber für die flächenhafte Ausbreitung mit einfachen Bodenparametern möglich ist. Mit einer ersten Modellanwendung konnte gezeigt werden, dass über die Variabilität der Bodenparameter Trockenrohdichte und Tongehalt auch die Variabilität der Bodenhydraulik und damit die Berechnung des Bodenfeuchteverlaufs am Standort darstellbar ist. / The consideration of the spatial variability of the unsaturated soil hydraulic characteristics still remains an unsolved problem in the modelling of the water and matter transport in the vadose zone. This can be mainly explained by the rather cumbersome measurement of this variability, which is both, time-consuming and cost-intensive. The presented thesis analyses various measurement strategies which aim at the description of the soil-hydraulic heterogeneity by a small number of proxy-parameters, which should be easily measurable and still have a soil-physical meaning. The developed approach uses a similarity concept, which groups soils into similar soil hydraulic classes. Within a class, the variability of the retention and hydraulic conductivity curves can be explained by a single parameter (scaling parameter). The analysis of the correlation between the soil parameters and the scaling parameters can eventually indicate which soil parameters can be used for describing the soil hydraulic variability in a given area. This investigation forms the basis for the further development of a stochastic model, which can integrate the soil-hydraulic variability in the modelling of the soil water transport. Three data sets, all covering different scales, were subsequently used in the application of the developed concept. The results show that depth development of the soil-hydraulic variability in a soil profile can be explained by a single soil parameter. Contrarily, the explanation of the horizontal variability of the soil-hydraulic properties was not possible with the given data sets. First model applications for a soil profile showed that including the variability of the soil parameters bulk density and clay fraction in the water transport simulations could describe the variability of the soil-hydraulic variability and thus, the dynamics of the soil water content at the investigated profile.

A comprehensive knowledge about the infiltration situation in a sewer system is required for sustainable operation and cost-effective maintenance. Due to the high expenditures of infiltration measurements an optimisation of necessary measurement campaigns and a reliable transfer of measurement results to comparable areas are essential. Suitable methods were developed to improve the information yield of measurements by identifying appropriate measuring point locations and to assign measurement results to other potential measuring points by comparing sub-catchments and classifying reaches. The methods are based on the introduced similarity approach “Similar sewer conditions lead to similar infiltration/inflow rates” and on modified multivariate statistical techniques. The developed methods have a high degree of freedom against data needs. They were successfully tested on real and generated data. For suitable catchments it is estimated, that the optimisation potential amounts up to 40 % accuracy improvement compared to non-optimised measuring point configurations. With an acceptable error the transfer of measurement results was successful for up to 75 % of the investigated sub-catchments. With the proposed methods it is possible to improve the information about the infiltration status of sewer systems and to reduce the measurement related uncertainty which results in significant cost savings for the operator. / Für den nachhaltigen Betrieb und die kosteneffiziente Unterhaltung von Kanalnetzen ist eine genaue Bestimmung ihrer Fremdwassersituation notwendig. Eine Optimierung der dazu erforderlichen Messkampagnen und eine zuverlässige Übertragung der Messergebnisse auf vergleichbare Gebiete sind aufgrund der hohen Aufwendungen für Infiltrationsmessungen angezeigt. Dafür wurden geeignete Methoden entwickelt, welche einerseits den Informationsgehalt von Messungen durch die Bestimmung optimaler Messpunkte verbessern und andererseits Messresultate mittels Vergleichen von Teileinzugsgebieten und Klassifizierungen von Kanalhaltungen zu anderen potenziellen Messstellen zuordnen. Die Methoden basieren auf dem Ähnlichkeitsansatz “Ähnliche Kanaleigenschaften führen zu ähnlichen Fremdwasserraten” und nutzen modifizierte multivariate statistische Verfahren. Sie haben einen hohen Freiheitsgrad bezüglich der Datenanforderung. Die Methoden wurden erfolgreich anhand gemessener und generierter Daten validiert. Es wird eingeschätzt, dass das Optimierungspotenzial bei geeigneten Einzugsgebieten bis zu 40 % gegenüber nicht optimierten Mess-netzen beträgt. Die Übertragung der Messergebnisse war mit einem akzeptablen Fehler für bis zu 75 % der untersuchten Teileinzugsgebiete erfolgreich. Mit den entwickelten Methoden ist es möglich, den Kenntnisstand über die Fremdwassersituation eines Kanalnetzes zu verbessern und die messungsbezogene Unsicherheit zu verringern. Dies resultiert in Kostenersparnissen für den Betreiber.

Die Berücksichtigung der flächenhaften bodenhydraulischen Variabilität gilt bei der Modellierung von Wasser- und Stofftransportprozessen als problematisch. Dies liegt vorrangig an ihrer Erfassung, die kosten- und zeitintensiv ist. Die vorliegende Arbeit untersucht verschiedene Messstrategien, die zur Abbildung der flächenhaften Bodenhydraulik mit wenigen, einfach zu bestimmenden und physikalisch begründeten Bodenparametern führen. Die Vorgehensweise erfolgt mit der Anwendung eines Ähnlichkeitskonzeptes, das die Böden in bodenhydraulisch ähnliche Klassen unterteilt. Innerhalb einer Klasse kann die Variabilität der Retentions- und hydraulischen Leitfähigkeitcharakteristik auf einen freien Parameter (Skalierungsparameter) reduziert werden. Die Analyse der Zusammenhänge zwischen Boden- und Skalierungsparametern führt letztendlich zu den geeigneten Parametern die eine flächenhafte Abbildung möglich machen. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für die weitere Entwicklung eines stochastischen Modellansatzes, der die Variabilität der Bodenhydraulik bei der Modellierung des Bodenwassertransportes im Feldmaßstab berücksichtigen kann. An Hand von drei Datensätzen unterschiedlicher Skalenausbreitung konnte dieses Konzept angewendet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Beschreibung der hydraulischen Variabilität nur für die vertikale (Profil) nicht aber für die flächenhafte Ausbreitung mit einfachen Bodenparametern möglich ist. Mit einer ersten Modellanwendung konnte gezeigt werden, dass über die Variabilität der Bodenparameter Trockenrohdichte und Tongehalt auch die Variabilität der Bodenhydraulik und damit die Berechnung des Bodenfeuchteverlaufs am Standort darstellbar ist. / The consideration of the spatial variability of the unsaturated soil hydraulic characteristics still remains an unsolved problem in the modelling of the water and matter transport in the vadose zone. This can be mainly explained by the rather cumbersome measurement of this variability, which is both, time-consuming and cost-intensive. The presented thesis analyses various measurement strategies which aim at the description of the soil-hydraulic heterogeneity by a small number of proxy-parameters, which should be easily measurable and still have a soil-physical meaning. The developed approach uses a similarity concept, which groups soils into similar soil hydraulic classes. Within a class, the variability of the retention and hydraulic conductivity curves can be explained by a single parameter (scaling parameter). The analysis of the correlation between the soil parameters and the scaling parameters can eventually indicate which soil parameters can be used for describing the soil hydraulic variability in a given area. This investigation forms the basis for the further development of a stochastic model, which can integrate the soil-hydraulic variability in the modelling of the soil water transport. Three data sets, all covering different scales, were subsequently used in the application of the developed concept. The results show that depth development of the soil-hydraulic variability in a soil profile can be explained by a single soil parameter. Contrarily, the explanation of the horizontal variability of the soil-hydraulic properties was not possible with the given data sets. First model applications for a soil profile showed that including the variability of the soil parameters bulk density and clay fraction in the water transport simulations could describe the variability of the soil-hydraulic variability and thus, the dynamics of the soil water content at the investigated profile.

A comprehensive knowledge about the infiltration situation in a sewer system is required for sustainable operation and cost-effective maintenance. Due to the high expenditures of infiltration measurements an optimisation of necessary measurement campaigns and a reliable transfer of measurement results to comparable areas are essential. Suitable methods were developed to improve the information yield of measurements by identifying appropriate measuring point locations and to assign measurement results to other potential measuring points by comparing sub-catchments and classifying reaches. The methods are based on the introduced similarity approach “Similar sewer conditions lead to similar infiltration/inflow rates” and on modified multivariate statistical techniques. The developed methods have a high degree of freedom against data needs. They were successfully tested on real and generated data. For suitable catchments it is estimated, that the optimisation potential amounts up to 40 % accuracy improvement compared to non-optimised measuring point configurations. With an acceptable error the transfer of measurement results was successful for up to 75 % of the investigated sub-catchments. With the proposed methods it is possible to improve the information about the infiltration status of sewer systems and to reduce the measurement related uncertainty which results in significant cost savings for the operator. / Für den nachhaltigen Betrieb und die kosteneffiziente Unterhaltung von Kanalnetzen ist eine genaue Bestimmung ihrer Fremdwassersituation notwendig. Eine Optimierung der dazu erforderlichen Messkampagnen und eine zuverlässige Übertragung der Messergebnisse auf vergleichbare Gebiete sind aufgrund der hohen Aufwendungen für Infiltrationsmessungen angezeigt. Dafür wurden geeignete Methoden entwickelt, welche einerseits den Informationsgehalt von Messungen durch die Bestimmung optimaler Messpunkte verbessern und andererseits Messresultate mittels Vergleichen von Teileinzugsgebieten und Klassifizierungen von Kanalhaltungen zu anderen potenziellen Messstellen zuordnen. Die Methoden basieren auf dem Ähnlichkeitsansatz “Ähnliche Kanaleigenschaften führen zu ähnlichen Fremdwasserraten” und nutzen modifizierte multivariate statistische Verfahren. Sie haben einen hohen Freiheitsgrad bezüglich der Datenanforderung. Die Methoden wurden erfolgreich anhand gemessener und generierter Daten validiert. Es wird eingeschätzt, dass das Optimierungspotenzial bei geeigneten Einzugsgebieten bis zu 40 % gegenüber nicht optimierten Mess-netzen beträgt. Die Übertragung der Messergebnisse war mit einem akzeptablen Fehler für bis zu 75 % der untersuchten Teileinzugsgebiete erfolgreich. Mit den entwickelten Methoden ist es möglich, den Kenntnisstand über die Fremdwassersituation eines Kanalnetzes zu verbessern und die messungsbezogene Unsicherheit zu verringern. Dies resultiert in Kostenersparnissen für den Betreiber.