The Ecuadorian páramo is characterized by unique soil properties that allow the ground to hold large amounts of water. These páramo grasslands support Andean cities and communities as a source of water for municipal, industrial, and agricultural use. Although recent research has suggested that changes in land use can decrease the amount of water and affect the water-holding capabilities of the soil, the hydrologic effects of different land uses, including burning for livestock grazing and pine planting for carbon credits, are currently under debate. This research tested hypotheses about moisture-related properties of páramo soils under different land uses at two study areas in Ecuador. Bulk density, volumetric water content, water retention, and general physical properties were identified and compared between sites at those study areas. Soil structure differed between pine sites and other sites at both study areas, and moisture consistency differed between pine and other sites at the Mazar Wildlife Reserve. Volumetric water content values were high (mean of 86% at one Mazar site) but the pine sites contained less water by volume than the other sites. Water retention data showed that the surface horizons of all sites at both study areas require more pressure to release moisture than the subsurface horizons. Compared to other sites studied, the pine sites from both study areas have lower gravimetric water contents at saturation through -6.0 kPa. Different burning regimes do not appear to affect soil properties, in-situ moisture content, or water-retention capacity. The introduction of pine plantations in the páramo at both study areas appears to have lowered soil moisture contents and reduced bulk density in the soil profile. This research adds to a growing group of studies that show that changes in land management can affect the hydrological properties of soils.

Streamflow dynamics in mountainous environments are controlled by runoff generation processes in the basin upstream. Runoff generation processes are thus a major control of the terrestrial part of the water cycle, influencing both, water quality and water quantity as well as their dynamics. The understanding of these processes becomes especially important for the prediction of floods, erosion, and dangerous mass movements, in particular as hydrological systems often show threshold behavior. In case of extensive environmental changes, be it in climate or in landuse, the understanding of runoff generation processes will allow us to better anticipate the consequences and can thus lead to a more responsible management of resources as well as risks. In this study the runoff generation processes in a small undisturbed catchment in the Chilean Andes were investigated. The research area is characterized by steep hillslopes, volcanic ash soils, undisturbed old growth forest and high rainfall amounts. The investigation of runoff generation processes in this data scarce area is of special interest as a) little is known on the hydrological functioning of the young volcanic ash soils, which are characterized by extremely high porosities and hydraulic conductivities, b) no process studies have been carried out in this area at either slope or catchment scale, and c) understanding the hydrological processes in undisturbed catchments will provide a basis to improve our understanding of disturbed systems, the shift in processes that followed the disturbance and maybe also future process evolution necessary for the achievement of a new steady state. The here studied catchment has thus the potential to serve as a reference catchment for future investigations. As no long term data of rainfall and runoff exists, it was necessary to replace long time series of data with a multitude of experimental methods, using the so called "multi-method approach". These methods cover as many aspects of runoff generation as possible and include not only the measurement of time series such as discharge, rainfall, soil water dynamics and groundwater dynamics, but also various short term measurements and experiments such as determination of throughfall amounts and variability, water chemistry, soil physical parameters, soil mineralogy, geo-electrical soundings and tracer techniques. Assembling the results like pieces of a puzzle produces a maybe not complete but nevertheless useful picture of the dynamic ensemble of runoff generation processes in this catchment. The employed methods were then evaluated for their usefulness vs. expenditures (labour and financial costs). Finally, the hypotheses - the perceptual model of runoff generation generated from the experimental findings - were tested with the physically based model Catflow. Additionally the process-based model Wasim-ETH was used to investigate the influence of landuse on runoff generation at the catchment scale. An initial assessment of hydrologic response of the catchment was achieved with a linear statistical model for the prediction of event runoff coefficients. The parameters identified as best predictors give a first indication of important processes. Various results acquired with the "multi-method approach" show that response to rainfall is generally fast. Preferential vertical flow is of major importance and is reinforced by hydrophobicity during the summer months. Rapid lateral water transport is necessary to produce the fast response signal, however, while lateral subsurface flow was observed at several soil moisture profiles, the location and type of structures causing fast lateral flow on the hillslope scale is still not clear and needs to be investigated in more detail. Surface runoff has not been observed and is unlikely due to the high hydraulic conductivities of the volcanic ash soils. Additionally, a large subsurface storage retains most of the incident rainfall amount during events (>90%, often even >95%) and produces streamflow even after several weeks of drought. Several findings suggest a shift in processes from summer to winter causing changes in flow patterns, changes in response of stream chemistry to rainfall events and also in groundwater-surface water interactions. The results of the modelling study confirm the importance of rapid and preferential flow processes. However, due to the limited knowledge on subsurface structures the model still does not fully capture runoff response. Investigating the importance of landuse on runoff generation showed that while peak runoff generally increased with deforested area, the location of these areas also had an effect. Overall, the "multi-method approach" of replacing long time series with a multitude of experimental methods was successful in the identification of dominant hydrological processes and thus proved its applicability for data scarce catchments under the constraint of limited resources. / Die Abflussdynamik in Mittel- und Hochgebirgen wird durch die Abflussbildungsprozesse im Einzugsgebiet bestimmt. Diese Prozesse kontrollieren damit zu großen Teilen den terrestrischen Teil des Wasserkreislaufs und beeinflussen sowohl Wasserqualität als auch -quantität. Das Verständnis von Abflussbildungsprozessen ist besonders wichtig für die Vorhersage von Hochwasser, Erosion und Massenbewegungen (z.B. Erdrutsche) da hydrologische Systeme oft Schwellenwertverhalten aufweisen. Im Falle weit reichender Umweltveränderungen, wie z.B. Klima- oder Landnutzungsänderungen kann das Verständnis der Abflussbildungsprozesse ein verantwortungsvolleres Management sowohl der Ressourcen als auch der Risiken ermöglichen. In dieser Studie wurden die Abflussbildungsprozesse in einem kleinen, anthropogen unbeeinflussten Einzugsgebiet in den Chilenischen Anden untersucht. Das Untersuchungsgebiet ist durch steile Hänge, vulkanische Ascheböden, ungestörten Naturwald und hohe Niederschlagsmengen charakterisiert. Die Erforschung von Abflussbildungsprozessen ist hier von besonderem Interesse, da a) wenig über das hydrologische Verhalten der hochporösen und hochleitfähigen jungen Ascheböden bekannt ist, b) in dieser Region bisher keine Studien auf Hang- oder Einzugsgebietsskala durchgeführt wurden, und c) das Prozessverständnis in ungestörten Einzugsgebieten als Basis zum besseren Verständnis bereits anthropogen beeinflusster Gebiete dienen kann. Das hier untersuchte Gebiet hat daher das Potential zum Referenzgebiet für zukünftige Studien und Forschungsprojekte. Bedingt durch die Kürze der vorliegenden Abfluss- und Niederschlagszeitreihen war es nötig, den bestehenden Datenmangel durch eine Vielzahl von experimentellen Methoden und Ansätzen auszugleichen. Dieser Ansatz wird im Folgenden der "Multi-Methoden-Ansatz" genannt. Die ausgewählten Methoden sollten dabei so viele Aspekte der Abflussbildung abdecken wie möglich. Es wurden daher nicht nur Zeitreihen von Abfluss, Niederschlag, Bodenfeuchte- und Grundwasserdynamik gemessen, sondern auch eine große Zahl an Kurzzeitmessungen und Experimenten durchgeführt. Diese beinhalteten u.a. Messung des Bestandesniederschlags, Bestimmung der Wasserchemie, Bestimmung bodenphysikalischer Parameter und der Bodenmineralogie, sowie geophysikalische Messungen und Tracermethoden. Die Synthese der Resultate gleicht dem Zusammensetzen eines Puzzles. Das so entstandene Bild des dynamischen Prozess-Ensembles ist trotz möglicher fehlender Puzzlestücke hochinformativ. In einem nächsten Schritt wurden die ausgewählten Methoden im Hinblick auf Erkenntnisgewinn und Kosten (d.h. finanzielle Kosten und Arbeitszeit) evaluiert. Das durch die experimentellen Ergebnisse gewonnene Bild der Abflussbildung wurde anschließend mit Hilfe des physikalisch basierten Modells Catflow überprüft. Weiterhin wurde mit dem prozessbasierten Modell Wasim-ETH der Einfluss der Landnutzung auf die Abflussbildung auf Einzugsgebietsskala untersucht. Die Ergebnisse des "Multi-Methoden-Ansatzes" zeigen, dass die Abflussreaktion in diesem Gebiet sehr schnell erfolgt. Vertikales präferenzielles Fliessen ist hier von großer Bedeutung und wird in den Sommermonaten noch durch Hydrophobizitätseffekte verstärkt. Schneller lateraler Fluss im Untergrund ist eine weitere Vorraussetzung für die schnelle Reaktion des Abflusses (Oberflächenabfluss ist hier aufgrund der hohen hydraulischen Leitfähigkeiten unwahrscheinlich). Obwohl bei der Untersuchung der Bodenfeuchtedynamik in einigen Profilen laterale Fließmuster beobachtet wurden, ist die Art und Lage der Untergrundstrukturen, die auf der Hangskala schnellen lateralen Fluss verursachen, noch unklar und sollte genauer untersucht werden. Die Tatsache, dass bei Niederschlagsereignissen der Großteil der Niederschlagsmenge nicht zum Abfluss kommt (>90%, oft auch >95%), sowie der kontinuierliche Abfluss selbst nach Wochen der Trockenheit, lassen auf einen großen unterirdischen Speicher schließen. Der Wechsel von Winter (nass) zu Sommer (trocken) scheint Veränderungen im Prozess-Ensemble hervorzurufen, die sich in der Änderung von Fließmustern, von Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen, sowie veränderter Reaktion der Wasserchemie auf Niederschlagsereignisse beobachten ließ. Die Modellstudie bestätigte die Bedeutung der schnellen Fließwege. Als Folge von Informationsdefiziten über die Strukturen des Untergrunds ließ sich jedoch die Abflussbildung noch nicht vollständig reproduzieren. Die Untersuchung zur Bedeutung der Landnutzung für die Abflussbildung mit Hilfe eines Einzugsgebietsmodells zeigte die Zunahme der maximalen Abflüsse mit zunehmender Entwaldung. Weiterhin erwies sich auch die Lage der abgeholzten Flächen als ein wichtiger Faktor für die Abflussreaktion. Der "Multi-Methoden-Ansatz" lieferte wichtige Erkenntnisse zum Verständnis der Abflussbildungspozesse in den Anden Südchiles und zeigte sich als adäquates Mittel für hydrologische Prozess-Studien in datenarmen Gebieten.

The objective of this thesis is to improve the knowledge of control mechanisms of hydrological induced mass movements. To this end, detailed hydrological process studies and physically-based hydrological modelling were applied. The study site is a hillslope in the Dornbirn Ache valley near Bregenz, Austria. This so called Heumös slope features a deep-seated translational shear zone and surface near creep movements of up to 10 cm a year. The Cretaceous marlstones of the Austrian Helveticum have a high susceptibility for weathering and might form clay-rich cohesive sediments. In addition, glacial and post-glacial processes formed an unstable hillslope. High yearly precipitation depths of about 2100 mm and rainstorms with both high intensities and precipitation depths govern surface and subsurface hydrological processes. Pressure propagation induced in hydrological active areas influences laterally the groundwater reactions of the moving mass. A complex three-dimensional subsurface pressure system is the cause for fast groundwater reactions despite low hydraulic conductivities. To understand hillslope scale variability, hydrotopes representing specific dominating processes were mapped using vegetation association distribution and soil core analysis. Detailed small-scale soil investigations followed to refine the understanding of these hydrotopes. A perceptional model was developed from the hydrotope distribution and was corroborated by these detailed investigations. The moving hillslope is dominated by surface-runoff generation. Infiltration and deep percolation of water is inhibited through clay-rich gleysols; the yearly average soil moisture is close to saturation. Steep slopes adjacent to the moving hillslope are far more active concerning infiltration, preferential flow and groundwater fluctuations. Spring discharge observations at the toe of the steep slopes are in close relation to groundwater table observations on the moving hillslope body. Evidence of pressure propagation from the steep slopes towards the hillslope body is gathered by comparison of dominating structures and processes. The application of the physically-based hydrological model CATFLOW substantiates the idea of pressure propagation as a key process for groundwater reactions and as a possible trigger for movement in the hillslope. / Diese Arbeit soll die Zusammenhänge von hydrologischen Rahmenbedingungen und Massenbewegungen besser erforschen, damit in Zukunft verbesserte Vorhersagen des Versagenszeitpunktes möglich werden. Das Untersuchungsgebiet besteht aus einem ca. 2 km langen und 500 m breiten Hang mit einem maximalen Höhenunterschied von ca. 400 m. Das dort vorkommende Festgestein besteht im Wesentlichen aus Mergelstein. Die vergangenen Eiszeiten haben dieses Gestein überarbeitet und Grundmoränenablagerungen auf dem Hang zurückgelassen. Diese wurden in den letzen 10.000 Jahren von Hangschutt, der aus den benachbarten Steilhängen stammt, überlagert. Der Hangschutt ist sehr verwitterungsanfällig, die Kalkkristalle lösen sich und wandeln den Hangschutt in lehmiges Material. Bewegungsmessungen an der Oberfläche zeigen, dass sich der Hang mit ca. 10 cm im Jahr talabwärts bewegt. Diese Bewegungen werden sehr wahrscheinlich durch kleine ruckartige Ereignisse in ca. 8 m Tiefe ausgelöst. Ziel der Untersuchungen war, den Wasserhaushalt des Hanges so gut wie möglich zu erfassen und mit Computermodellen abzubilden. Dabei spielt die Heterogenität der pedologischen Eigenschaften einen wesentliche Rolle, als Eingangsparameter für die Modelle. Grundwasserstandsmessungen in 5,5 m Tiefe auf dem Hang zeigen schnelle Reaktionen des Grundwasserspiegels nach Niederschlagsereignissen. Das Wasser dieser Ereignisse kann aber aufgrund des Lehms, der nur eine geringe Wasserdurchlässigkeit für Wasser besitzt, nicht in den tieferen Untergrund gelangen, sondern fließt fast vollständig an der Oberfläche ab. Dahingegen führt ein schnelles Versickern von Wasser in an den Hang anschließenden Steilhängen zu einem schnellen Grundwasseranstieg, der aufgrund eines gespannten Grundwasserleiters den Druck in die Hangrutschung weitergibt. Dort wird ein Überdruck aufgebaut, der sehr wahrscheinlich die Bewegungen auslöst. Die vorliegende Arbeit ist eine detaillierte Herangehensweise um Erkenntnisse aus der Hyrologie für die Bestimmung des Wasserhaushaltes von Massenbewegungen heranzuziehen.

One of the major problems for the implementation of water resources planning and management in arid and semi-arid environments is the scarcity of hydrological data and, consequently, research studies. In this thesis, the hydrology of dryland river systems was analyzed and a semi-distributed hydrological model and a forecasting approach were developed for flow transmission processes in river-systems with a focus on semi-arid conditions. Three different sources of hydrological data (streamflow series, groundwater level series and multi-temporal satellite data) were combined in order to analyze the channel transmission losses of a large reach of the Jaguaribe River in NE Brazil. A perceptual model of this reach was derived suggesting that the application of models, which were developed for sub-humid and temperate regions, may be more suitable for this reach than classical models, which were developed for arid and semi-arid regions. Summarily, it was shown that this river reach is hydraulically connected with groundwater and shifts from being a losing river at the dry and beginning of rainy seasons to become a losing/gaining (mostly losing) river at the middle and end of rainy seasons. A new semi-distributed channel transmission losses model was developed, which was based primarily on the capability of simulation in very different dryland environments and flexible model structures for testing hypotheses on the dominant hydrological processes of rivers. This model was successfully tested in a large reach of the Jaguaribe River in NE Brazil and a small stream in the Walnut Gulch Experimental Watershed in the SW USA. Hypotheses on the dominant processes of the channel transmission losses (different model structures) in the Jaguaribe river were evaluated, showing that both lateral (stream-)aquifer water fluxes and ground-water flow in the underlying alluvium parallel to the river course are necessary to predict streamflow and channel transmission losses, the former process being more relevant than the latter. This procedure not only reduced model structure uncertainties, but also reported modelling failures rejecting model structure hypotheses, namely streamflow without river-aquifer interaction and stream-aquifer flow without groundwater flow parallel to the river course. The application of the model to different dryland environments enabled learning about the model itself from differences in channel reach responses. For example, the parameters related to the unsaturated part of the model, which were active for the small reach in the USA, presented a much greater variation in the sensitivity coefficients than those which drove the saturated part of the model, which were active for the large reach in Brazil. Moreover, a nonparametric approach, which dealt with both deterministic evolution and inherent fluctuations in river discharge data, was developed based on a qualitative dynamical system-based criterion, which involved a learning process about the structure of the time series, instead of a fitting procedure only. This approach, which was based only on the discharge time series itself, was applied to a headwater catchment in Germany, in which runoff are induced by either convective rainfall during the summer or snow melt in the spring. The application showed the following important features: • the differences between runoff measurements were more suitable than the actual runoff measurements when using regression models; • the catchment runoff system shifted from being a possible dynamical system contaminated with noise to a linear random process when the interval time of the discharge time series increased; • and runoff underestimation can be expected for rising limbs and overestimation for falling limbs. This nonparametric approach was compared with a distributed hydrological model designed for real-time flood forecasting, with both presenting similar results on average. Finally, a benchmark for hydrological research using semi-distributed modelling was proposed, based on the aforementioned analysis, modelling and forecasting of flow transmission processes. The aim of this benchmark was not to describe a blue-print for hydrological modelling design, but rather to propose a scientific method to improve hydrological knowledge using semi-distributed hydrological modelling. Following the application of the proposed benchmark to a case study, the actual state of its hydrological knowledge and its predictive uncertainty can be determined, primarily through rejected hypotheses on the dominant hydrological processes and differences in catchment/variables responses. / Die Bewirtschaftung von Wasserressourcen in ariden und semiariden Landschaften ist mit einer Reihe besonderer Probleme konfrontiert. Eines der größten Probleme für die Maßnahmenplanung und für das operationelle Management ist der Mangel an hydrologischen Daten und damit zusammenhängend auch die relativ kleine Zahl wissenschaftlicher Arbeiten zu dieser Thematik. In dieser Arbeit wurden 1) die grundlegenden hydrologischen Bedingungen von Trockenflusssystemen analysiert, 2) ein Modellsystem für Flüsse unter semiariden Bedingungen, und 3) ein nichtparametrisches Vorhersage-verfahren für Abflussvorgänge in Flüssen entwickelt. Der Wasserverlust in einem großen Abschnitt des Jaguaribe Flusses im nordöstlichen Brasilien wurde auf Basis von Daten zu Abflussraten, Grundwasserflurabstände und mit Hilfe multitemporaler Satellitendaten analysiert. Dafür wurde zuerst ein konzeptionelles hydrologisches Modell über die Mechanismen der Transferverluste in diesem Abschnitt des Trockenflusses erstellt. Dabei ergab sich, dass der Flussabschnitt mit dem Grundwasser hydraulisch verbunden ist. Der Flussabschnitt weist in der Trockenenzeit und am Anfang der Regenzeit nur Wasserverlust (Sickerung) zum Grundwasser auf. Im Laufe der Regenzeit findet auch ein gegenseitiger Austausch vom Grundwasser mit dem Flusswasser statt. Aufgrund dieser hydraulischen Kopplung zwischen Flusswasser und Grundwasser sind für diesen Flussabschnitt hydrologische Modellansätze anzuwenden, die generell für gekoppelte Fluss-Grundwassersysteme, v.a. in feuchtgemäßigten Klimaten, entwickelt wurden. Es wurde ein neuartiges hydrologisches Simulationsmodell für Transferverluste in Trockenflüssen entwickelt. Dieses Modell ist für unterschiedliche aride und semiaride Landschaften anwendbar und hat eine flexible Modellstruktur, wodurch unterschiedliche Hypothesen zur Relevanz einzelner hydrologische Prozesse getestet werden können. Es wurde für den zuvor genannten großen Abschnitt des Jaguaribe Flusses im nordöstlichen Brasilien und für einen kleinen Flussabschnitt im „Walnut Gulch Experimental Watershed“ (WGEW) in Arizona, Südwest-USA, angewendet. Für die eine prozess-orientierte Simulation von Abflussbedingungen und Transferverlusten im Einzugsgebiet des Jaguaribe hat sich gezeigt, dass die am besten geeignete Modellstruktur sowohl den Austausch zwischen Flusswasser und Grundwasser (senkrecht zur Fließrichtung des Flusses) als auch die parallel zum Fluss verlaufende Grundwasserströmung enthält. Die Simulationsexperimente mit unterschiedlichen Modellstrukturen („Hypothesentest“) reduzierte nicht nur die Modellstrukturunsicherheit, sondern quantifizierte auch die Qualität der Modellergebnisse bei folgenden Varianten der Modellstruktur: a) Abflluss im Fluss ohne Interaktion mit dem Grundwasser (keine Transferverluste) und b) Interaktion zwischen Fluss und Grundwasser ohne parallelen Grundwasserstrom zum Flussstrom. Durch die Anwendung auf die beiden unterschiedlichen Trockenflusssysteme wurden neue Erkenntnisse über die Sensitivität des Modells unter verschiedenen Bedingungen erworben. Beispielsweise waren die Parameter der ungesättigten Zone, die von hoher Relevanz für den kleinen Flussabschnitt im WGEW waren, viel sensitiver als die Parameter der gesättigten Zone, die besonders relevant für den Jaguaribe Flussabschnitt in Brasilien waren. Die Ursache für diese sehr unterschiedliche Sensitivität liegt darin, dass beim WGEW das Flusswasser nur mit der ungesättigten Zone in Kontakt steht, da sich in diesem Gebiet, welche im Vergleich zur Jaguaribe-Region noch deutlich trockener ist, kein Grund-wasserleiter bildet. Letztlich wurde ein nicht-parametrisches Verfahren, zur Simulation der deterministischen Evolution und stochastischen Fluktuation der Abflussdynamik entwickelt. Im Unterschied zu prozessbasiertem Modellsystemen basiert dieses Verfahren nicht auf Modellkalibrierung sondern auf einem Lernprozess, basierend auf Zeitreihendaten. Als Anwendungsbeispiel wurde ein mesoskaliges Einzugsgebiet im Erzgebirge, NO-Deutschland gewählt, in dem starke Abflussereignisse entweder durch konvektive Niederschlagsereignisse oder durch Schneeschmelze generiert werden. Die folgenden wichtigsten Ergebnisse wurden erzielt: • Regressionsmodellansätze basierend auf den zeitlichen Änderungen der Abflüsse liefern bessere Ergebnisse gegenüber Ansätzen basierend auf direkten Abflussdaten; • mit zunehmendem Vorhersagehorizont wandelt sich das hydrologische System von einem mit Zufallsanteilen verrauschten dynamischen System zu einem linearen probabilistischen Zufallsprozess; • Bei zunehmendem Abfluss (ansteigenden Ganglinie) erfolgt meist eine Abflussunterschätzung, bei abnehmendem Abfluss (fallende Ganglinie) erfolgt meist eine Abflussüberschätzung. Dieses nichtparametrische Verfahren ergibt im Vergleich mit einem prozess-orientierten und flächenverteilten hydrologischen Hochwasservorhersagemodell bis zu einem Vorhersagezeitraum von 3 Stunden Ergebnisse von vergleichbar guter Qualität. Letztendlich wurde ein Vorgehen bzgl. künftiger Forschungen zu hydrologischer Modellierung vorgeschlagen. Das Ziel dabei war ein wissenschaftliches Verfahren zur Verbesserung des hydrologischen Wissens über ein Einzugsgebiet. Diese Verfahren basiert auf einem Hypothesentest zu den relevanten hydrologischen Prozessen und der Untersuchung der Sensitivitäten der hydrologischen Variablen bei unterschiedlichen Einzugsgebieten.

In Turkey with increasing energy demand by industrialization and urbanization, hydropower seemed to be the most environmental friendly and sustainable solution for the problem. However, hydropower has also environmental effects especially when hydropower projects are numerous on a single river, and they use almost entire water in the river. Environmental flow as a new term became popular in media with increased density of small hydropower projects in Turkey. It is the required flow in the part of diversion for Run-off River type of hydropower plant in order to protect health of the river / in other words, to balance components of the river, including physico-chemical quality standards, surface and groundwater, geomorphological dynamics, social, economic, cultural and landscape values. In this study, an analysis utilizing hydrological (desktop) environmental flow assessment methods is prepared for Turkey, focusing on the Pazarsuyu Basin as a case study, and the results are compared with the applications done by the Governmental Institutions. Moreover, insufficient applications with regard to environmental flow assessment are given and reasons for public concerns are pointed out due to small hydropower development in Turkey.

Large areas in the humid tropics are currently undergoing land-use change. The decrease of tropical rainforest, which is felled for land clearing and timber production, is countered by increasing areas of tree plantations and secondary forests. These changes are known to affect the regional water cycle as a result of plant-specific water demand and by influencing key soil properties which determine hydrological flow paths. One of these key properties sensitive to land-use change is the saturated hydraulic conductivity (Ks) as it governs vertical percolation of water within the soil profile. Low values of Ks in a certain soil depth can form an impeding layer and lead to perched water tables and the development of predominantly lateral flow paths such as overland flow. These processes can induce nutrient redistribution, erosion and soil degradation and thus affect ecosystem services and human livelihoods. Due to its sensitivity to land-use change, Ks is commonly used to assess the associated changes in hydrological flow paths. The objective of this dissertation was to assess the effect of land-use change on hydrological flow paths by analysing Ks as indicator variable. Sources of Ks variability, their implications for Ks monitoring and the relationship between Ks and near-surface hydrological flow paths in the context of land-use change were studied. The research area was located in central Panama, a country widely experiencing the abovementioned changes in land use. Ks is dependent on both static, soil-inherent properties such as particle size and clay mineralogy and dynamic, land use-dependent properties such as organic carbon content. By conducting a pair of studies with one of these influences held constant in each, the importance of static and dynamic properties for Ks was assessed. Applying a space-for-time approach to sample Ks under secondary forests of different age classes on comparable soils, a recovery of Ks from the former pasture use was shown to require more than eight years. The process was limited to the 0−6 cm sampling depth and showed large variability among replicates. A wavelet analysis of a Ks transect crossing different soil map units under comparable land cover, old-growth tropical rainforest, showed large small-scale variability, which was attributed to biotic influences, as well as a possible but non-conclusive influence of soil types. The two results highlight the importance of dynamic, land use-dependent influences on Ks. Monitoring studies can help to quantify land use-induced change of Ks, but there is a variety of sampling designs which differ in efficiency of estimating mean Ks. A comparative study of four designs and their suitability for Ks monitoring is used to give recommendations about designing a Ks monitoring scheme. Quantifying changes in spatial means of Ks for small catchments with a rotational stratified sampling design did not prove to be more efficient than Simple Random Sampling. The lack of large-scale spatial structure prevented benefits of stratification, and large small-scale variability resulting from local biotic processes and artificial effects of destructive sampling caused a lack of temporal consistency in the re-sampling of locations, which is part of the rotational design. The relationship between Ks and near-surface hydrological flow paths is of critical importance when assessing the consequences of land-use change in the humid tropics. The last part of this dissertation aimed at disclosing spatial relationships between Ks and overland flow as influenced by different land cover types. The effects of Ks on overland-flow generation were spatially variable, different between planar plots and incised flowlines and strongly influenced by land-cover characteristics. A simple comparison of Ks values and rainfall intensities was insufficient to describe the observed pattern of overland flow. Likewise, event flow in the stream was apparently not directly related to overland flow response patterns within the catchments. The study emphasises the importance of combining pedological, hydrological, meteorological and botanical measurements to comprehensively understand the land use-driven change in hydrological flow paths. In summary, Ks proved to be a suitable parameter for assessing the influence of land-use change on soils and hydrological processes. The results illustrated the importance of land cover and spatial variability of Ks for decisions on sampling designs and for interpreting overland-flow generation. As relationships between Ks and overland flow were shown to be complex and dependent on land cover, an interdisciplinary approach is required to comprehensively understand the effects of land-use change on soils and near-surface hydrological flow paths in the humid tropics. / Tropische Regionen sind einem andauernden Landnutzungswandel unterworfen. Einerseits wird tropischer Regenwald für Holz- und Flächengewinnung abgeholzt, andererseits fallen Flächen im Zuge der Urbanisierung brach. Diese werden zum Teil mit Nutzholz-Plantagen aufgeforstet, zum Teil entwickelt sich auf ihnen natürlicher Sekundärwald. Änderungen in der Landnutzung beeinflussen Bodeneigenschaften und dadurch implizit den Wasserkreislauf der Region. Eine dieser wichtigen landnutzungsabhängigen Bodeneigenschaften ist die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit oder Permeabilität, die maßgeblich die Versickerungsrate im Boden bestimmt. Eine niedrige Permeabilität hemmt die (vertikale) Versickerung und kann dazu führen, dass laterale hydrologische Fließpfade wie z.B. Oberflächenabfluss aktiviert werden. Dadurch wird sowohl die Bodenerosion und Nährstoffverlagerung verstärkt als auch die Auffüllung des Grundwasserspeichers verringert. In welchem Maße jedoch die Änderung der Permeabilität während des Landnutzungswandels eine Änderung der hydrologischen Fließpfade nach sich zieht, ist noch unzureichend erforscht. Die Zielstellung der vorliegenden Dissertation war, mit Hilfe der Permeabilität als Indikatorvariable die Auswirkungen des Landnutzungswandels auf bodennahe hydrologische Fließpfade zu beurteilen. Dabei sollten die Quellen der Variabilität der Permeabilität anhand des Einflusses von Bodentyp und Landnutzung eingeschätzt, diese Variabilität in das Design einer Probenahmestrategie für die Permeabilität integriert und die Auswirkungen dieser Einflüsse auf die Aktivierung lateraler Fließpfade untersucht werden. Die Studien wurden in Panama durchgeführt, da dieses Land stark vom Landnutzungswandel betroffen ist, eine gute Forschungsinfrastruktur aufweist und sich durch die hohen Niederschläge des tropischen Klimas Änderungen im Wasserkreislauf besonders stark auswirken. Zwei Teilstudien zu den Quellen der Variabilität der Permeabilität lieferten Hinweise auf einen möglichen Einfluss des Bodentyps, der jedoch durch den lokal stärkeren Einfluss der Landnutzung überprägt wurde. Auf regionaler Skala wurde die Erholung der Permeabilität unter Sekundärwald nach einer vorhergehenden Weidenutzung belegt. Beide Studien deuteten auf einen maßgeblichen Einfluss der Landnutzung und der räumlichen Struktur der Permeabilität auf die untersuchten Prozesse hin. Für die effiziente Abschätzung zeitlicher Veränderungen der Permeabilität, wie sie im Zuge des Landnutzungswandels auftritt, ist die Einbeziehung dieser räumlichen Strukturen in das Design einer Probenahmestrategie für die Permeabilität von großer Bedeutung, wie in einem Vergleich vier verschiedener Designs gezeigt wurde. Der Zusammenhang zwischen der Permeabilität und der Entstehung von Oberflächenabfluss konnte nicht durch einfache Ansätze, wie dem Vergleich der Permeabilität mit Regenintensitäten oder der Betrachtung des Gebietsabflusses, erklärt werden. Vielmehr scheint ein komplexes Zusammenspiel aus meteorologischen, biologischen, bodenkundlichen und hydrologischen Faktoren zu wirken. So wurde die räumliche Struktur des Oberflächenabflusses im Untersuchungsgebiet vermutlich durch eine Kombination aus Landnutzungs- und Permeabilitäts-Einflüssen bedingt, zu deren Aufklärung weitere notwendige Messungen vorgeschlagen werden. Zusammengefasst konnte anhand der Permeabilität der Einfluss des Landnutzungswandels auf die hydrologischen Fließpfade gut aufgezeigt werden. Eine besondere Bedeutung kommt hierbei der Betrachtung der landnutzungsabhängigen räumlichen Struktur der Permeabilität zu. Für die Prozessaufklärung der Aktivierung lateraler Fließpfade müssen jedoch Messungen aus verschiedenen Disziplinen kombiniert werden.

A major part of the terrestrial sediment in the ocean comes from the land via river plume. There are four stages in sediment dispersal from rivers into the sea: supply via plume, initial deposition, resuspension and transport by waves and currents or by the slope failure, and long-term net accumulation. We can understand the dispersion and transport of the river plume by in situ observations of hydrodynamic of the plume field. Therefore, it is helpful to study river plume hydrodynamics, such as winds, tides, waves, and currents. The purpose of this study is to identify the type of plume dynamics by analyzing the temporal and spatial variability of hydrological structures observed around the Gaoping River mouth. We observed the bottom and surface time series of temperature, salinity, turbidity, suspended sediment concentration, and velocity profile by instrument mounted at the tetrapods and a moored buoy during July 28 to 30 in 2009 and July 30 to August 2 in 2011. Besides, we investigated the spatial structures of the river plume in Gaoping River mouth by using a fishing boat in 2009. We also acquired satellite images to assist our study. The results showed that the river discharges during 2009 was lower than daily average discharge. Combined the temporal and spatial observations and satellite images, we determined that the river plume turned west during the ebb tide was influenced by Coriolis force and winds. The buoyancy-driven current velocity was 0.15 m/s and the maximum of wind-driven current velocity was 0.30 m/s. The wind strength index (Ws) determines whether a plume¡¦s along-shelf flow is in a wind-driven or buoyancy-driven state. Ws is the ratio of the wind-driven and buoyancy-driven along-shelf velocities. If |W_s | > 1 on average the wind velocity more than 5.9 m/s. The wind velocity reached this threshold during most of the ebb periods, and around that value in the flood time. Flood currents combined with cross-shore wind pushed the river plume to swing to the east. The data were analyzed by empirical orthogonal function (EOF) analysis. The results indicated that winds and waves were the main factors influencing plume dynamics during low-discharge period. During the field experiment in 2011, the river discharge was greater than daily average discharge. The buoyancy-driven and the maximum of wind-driven current velocities were 0.30 and 0.12 m/s, respectively. The wind velocity did not reach the threshold that was 11.67 m/s. The buoyancy-driven current was more significant than wind-driven current. By analyzing the ocean color of satellite images, the river plume was spreading from the river mouth and toward west during ebb. The time series data also showed that there was plume signal at the same time. The average cross-shore current velocity was 0.52 m/s, being larger than the buoyancy-driven current. Therefore, the tide was the main factor deciding where the plume discharged. The first eigemode of EOF suggested that current was the most important factor influencing plume dynamics during high-discharge period. The second eignmode described the dominant influence of wind.

This dissertation is composed of three essays investigating three aspects of future water issues. The first essay focuses on an examination of water scarcity issues caused by rapid population growth and economic development in Texas. The second essay examines water scarcity under climate change scenarios in Texas. The third essay discusses arsenic-related water quality issues in the drinking water. An integrated economic, hydrological, and environmental model is developed for the first two essays by implicitly incorporating uncertainty about future climate, water demand from all types of water use, a spatial river flow relationship, interaction between ground and surface water, institutional regulations, and the possibilities of inter-basin water transfers (IBTs). In studying water scarcity under economic growth and population growth, we find that while some cities and counties have sufficient water, there are some other cities and counties (especially Dallas, Fort Worth and Austin) facing different degrees of water scarcity problems. In studying the climate change impact, four Global Circulation Models (GCMs) with three Special Report on Emissions Scenarios (SRESs) yield consistent results. Water scarcity becomes even more severe for cities. Texas realizes slight gains in earlier periods and a net loss beginning in 2060. This study finds that twelve IBTs, if there is no climate change, and fourteen IBTs, under the climate change scenario, will be economically feasible in 2060. These IBTs can not only greatly reduce water scarcity, but also create new growth opportunity for Houston. Water is transferred from in-stream flow in source basins. There is no significant impact on other sectors except in-stream flow and water flow out to bay. In the third essay, a two-stage structural model is developed to model household risk-averting behavior with respect to arsenic-related mortality risk in the drinking water. The empirical results suggest that risk perceptions for the parents and children are important in the decision of how much to spend on water treatment, but not in whether or not to treat water. Parents in our sample displayed mixed altruism. The information generated by this dissertation can help state agencies to manage water resources and to improve water-related human health, especially health for children, more effectively and more efficiently.

This study deals with the investigation of characteristics of a flash flood and development of design of flood mitigation facilities occurred in G&uuml / zelyurt in North Cyprus on 18th of January, 2010 and development of design of flood mitigation facilities. Hydrologic and hydraulic modeling of this flood event has been utilized to develop solutions for preventing the region from the flood. Topographical maps and soil properties are used in hydrological modeling. The data are inserted into a geographical information system program (ARC-GIS) where basin properties are obtained. Since there is no any stream flow gauging station along the creeks in the study area, the synthetic unit hydrograph is developed by using Soil Conversation Service Method to obtain design flood hydrographs. In hydraulic modeling, the cross-section data of Fabrika Creek and Bostanci Creek are taken by using global navigation satellite system (GNSS) device and total station. These data are entered into the HEC-RAS program. Flood inundation maps are generated for both creeks. After hydrological and hydraulic modeling, two solutions are proposed. The first one is to build a detention basin for storing water and a lateral channel. for diverting extra flow from Bostanci Creek to Fabrika Creek. The second solution is to build a lateral channel from Bostanci Creek to G&uuml / zelyurt Dam for diverting all water during a flood event. Based on hydrologic, hydraulic, and cost analysis, the first solution is accepted to be the feasible solution. In addition, flow carrying capacities of the creeks are improved.

Die gestiegene Messgenauigkeit der Erdrotationsparameter ermöglicht inzwischen eine Berücksichtigung von Sekundäreffekten, wie Einflüssen hydrologischer Massenvariationen. Variationen der Erdrotation durch hydrologische Massenvariationen sind bisher weniger gut als atmosphärische und ozeanische Beiträge erforscht. Zur Interpretation, Analyse und Zuordnung von Signalen in den Erdrotationsparamtern wurden mit einem Landoberflächenschema und einem lateralen Abflussmodell langjährige hydrologische Simulationen unter Antrieb aus verschiedenen globalen Atmosphärenmodellen durchgeführt. Diese Simulationen erlaubten die Durchführung von Sensitivitätsstudien über die Abhängigkeit simulierter hydrologischer Beiträge zur Erdrotation von den atmosphärischen Antrieben und der Modellphysik. Alle relevanten hydrologischen Größen wurden auf Plausibilität mit Beobachtungsdaten oder anderen Simulationsergebnissen validiert. Neben dem Beitrag der vertikalen Wasserbilanz wurde auch der Beitrag des lateralen Wassertransportes auf die Erdrotation explizit untersucht. Erstmalig konnte der hydrologische Bewegungsterm quantifiziert werden. Die simulierten hydrologischen Drehimpulsfunktionen wurden schließlich im Kontext des globalen Wasserkreislaufes den beobachteten Erdrotationsparametern gegenübergestellt. Es ergab sich eine besonders gute Übereinstimmung für die hydrologische [chi2]-Komponente mit Residuen aus Beobachtungen und simulierten atmosphärischen und ozeanischen Variationen der Erdrotation. / The increasing accuracy of observation of the Earth's rotation allows the consideration of so called secondary effects like the influence of hydrological mass redistributions. Variations of the Earth's rotation due to hydrological influences are yet less investigated than atmospheric and oceanic contributions. In order to analyse, interprete and associate signals in the parameters of the Earth's rotation, longtime hydrologic simulations were performed by forcing a land-surface scheme and a lateral discharge model with data of various global atmospheric models. By these simulations, the dependency of simulated hydrologic contributions to the variations of the Earth's rotation on atmospheric forcing and on the model physics was studied. All relevant hydrologic quantities were validated against observed or modelled values to evaluate their plausibility. In addition to the contribution of the vertical water balance to the variations of the Earth's rotation also the contribution of lateral water transport was explicitely investigated. For the first time the hydrologic motion term was quantified. Eventually, the simulated hydrological angular momentum functions were compared in the context of the global water cycle against observed parameters of the Earth's rotation. The hydrological component of [chi2] did show a very good agreement with residuals of observations and simulated atmospheric and oceanic variations of the Earth's rotation.