Seit 1990 waren mehrere der großen Flussgebiete Mitteleuropas wiederholt von extremen Hochwassern betroffen. Da sowohl die Landoberfläche als auch die Flusssysteme weiter Teile Mitteleuropas in der Vergangenheit weitreichenden Eingriffen ausgesetzt gewesen sind, wird bei der Suche nach den Ursachen für diese Häufung von Extremereignissen auch die Frage nach der Verantwortung des Menschen hierfür diskutiert. Gewässerausbau, Flächenversiegelung, intensive landwirtschaftliche Bodenbearbeitung, Flurbereinigung und Waldschäden sind nur einige Beispiele und Folgen der anthropogenen Eingriffe in die Landschaft. Aufgrund der Vielfalt der beteiligten Prozesse und deren Wechselwirkungen gibt es allerdings bislang nur Schätzungen darüber, wie sehr sich die Hochwassersituation hierdurch verändert hat. Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe eines hydrologischen Modells systematisch darzustellen, in welcher Weise, in welcher Größenordnung und unter welchen Umständen die Art der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung Einfluss nimmt. Dies wird anhand exemplarischer Modellanwendungen in der hydrologischen Mesoskala untersucht. Zu diesem Zweck wurde das deterministische und flächendifferenzierte hydrologische Modell wasim-eth ausgewählt, das sich durch eine ausgewogene Mischung aus physikalisch begründeten und konzeptionellen Ansätzen auszeichnet. Das Modell wurde im Rahmen dieser Arbeit um verschiedene Aspekte erweitert, die für die Charakterisierung des Einflusses der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung wichtig sind: (1) Bevorzugtes Fließen in Makroporen wird durch eine Zweiteilung des Bodens in Makroporen und Bodenmatrix dargestellt, die schnelle Infiltration und Perkolation jenseits der hydraulischen Leitfähigkeit der Bodenmatrix ermöglicht. (2) Verschlämmung äußert sich im Modell abhängig von Niederschlagsintensität und Vegetationsbedeckungsgrad als Verschlechterung der Infiltrationsbedingungen an der Bodenoberfläche. (3) Das heterogene Erscheinungsbild bebauter Flächen mit einer Mischung aus versiegelten Bereichen und Freiflächen wird berücksichtigt, indem jede Teilfläche je nach Versiegelungsgrad in einen unversiegelten Bereich und einen versiegelten Bereich mit Anschluss an die Kanalisation aufgeteilt wird. (4) Dezentraler Rückhalt von Niederschlagswasser kann sowohl für natürliche Mulden als auch für gezielt angelegte Versickerungsmulden mit definierten Infiltrationsbedingungen simuliert werden. Das erweiterte Modell wird exemplarisch auf drei mesoskalige Teileinzugsgebiete des Rheins angewandt. Diese drei Gebiete mit einer Fläche von zwischen 100 und 500 km² wurden im Hinblick darauf ausgewählt, dass jeweils eine der drei Hauptlandnutzungskategorien Bebauung, landwirtschaftliche Nutzung oder Wald dominiert. Für die drei Untersuchungsgebiete sind räumlich explizite Landnutzungs- und Landbedeckungsszenarien entworfen worden, deren Einfluss auf die Hochwasserentstehung mit Hilfe des erweiterten hydrologischen Modells simuliert wird. Im Einzelnen werden die Auswirkungen von Verstädterung, Maßnahmen zur Niederschlagsversickerung in Siedlungsgebieten, Stilllegung agrarisch genutzter Flächen, veränderter landwirtschaftlicher Bodenbearbeitung, Aufforstung sowie von Sturmschäden in Wäldern untersucht. Diese Eingriffe beeinflussen die Interzeption von Niederschlag, dessen Infiltration, die oberflächennahen unterirdischen Fließprozesse sowie, zum Beispiel im Fall der Kanalisation, auch die Abflusskonzentration. Die hydrologischen Simulationen demonstrieren, dass die Versiegelung einer Fläche den massivsten Eingriff in die natürlichen Verhältnisse darstellt und deshalb die stärksten (negativen) Veränderungen der Hochwassersituation hervorbringt. Außerdem wird deutlich, dass eine bloße Änderung des Interzeptionsvermögens zu keinen wesentlichen Veränderungen führt, da die Speicherkapazität der Pflanzenoberflächen im Verhältnis zum Volumen hochwasserauslösender Niederschläge eher klein ist. Stärkere Veränderungen ergeben sich hingegen aus einer Änderung der Infiltrationsbedingungen. Die Grenzen der entwickelten Methodik zeigen sich am deutlichsten bei der Simulation veränderter landwirtschaftlicher Bewirtschaftungsmethoden, deren mathematische Beschreibung und zahlenmäßige Charakterisierung aufgrund der Komplexität der beteiligten Prozesse mit großen Unsicherheiten behaftet ist. Die Modellierungsergebnisse belegen darüber hinaus, dass pauschale Aussagen zum Einfluss der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung aufgrund der entscheidenden Bedeutung der klimatischen und physiographischen Randbedingungen unzulässig sind. Zu den klimatischen Randbedingungen zählen sowohl Niederschlagsintensität und -dauer als auch die Feuchtebedingungen vor einem hochwasserauslösenden Niederschlag. Die physiographischen Randbedingungen sind von der geomorphologischen und geologischen Ausstattung des Gebiets vorgegeben. Weiterhin muss der räumliche und zeitliche Maßstab, über den Aussagen getroffen werden, klar definiert sein, da sich mit steigender Einzugsgebietsgröße die relative Bedeutung sowohl der verschiedenen Niederschlagstypen als auch der physiographischen Eigenschaften verschiebt. Dies wird in der vorliegenden Arbeit im Gegensatz zu vielen anderen Untersuchungen konsequent berücksichtigt. In Abhängigkeit von Randbedingungen und räumlichen Maßstab sind aufgrund der gewonnen Erkenntnisse folgende Aussagen zum Einfluss von Landnutzungsänderungen auf die Hochwasserentstehung möglich: (1) Für intensive konvektive Niederschlagsereignisse mit tendenziell geringer Vorfeuchte ist der Einfluss der Landnutzung größer als für langanhaltende advektive Niederschläge geringer Intensität, da im ersten Fall veränderte Infiltrationsbedingungen stärker zum Tragen kommen als bei kleinen Niederschlagsintensitäten. (2) In kleinen Einzugsgebieten, wo kleinräumige Konvektivzellen zu Hochwassern führen können, ist der Einfluss der Landnutzung dementsprechend größer als in großen Flussgebieten wie dem Rheingebiet, wo vor allem langanhaltende advektive Ereignisse (unter Umständen verbunden mit Schneeschmelze) relevant sind. (3) In Gebieten mit guten Speichereigenschaften wie mächtigen, gut durchlässigen Böden und gut durchlässigem Gesteinsuntergrund ist der Einfluss der Landnutzung größer als in Gebieten mit geringmächtigen Böden und geringdurchlässigem Festgestein. Dies ist darin begründet, dass in Gebieten mit guten Speichereigenschaften bei einer Verschlechterung der Infiltrationsbedingungen mehr Speicherraum für Niederschlag verloren geht als in anderen Gebieten. / Since 1990, several of the large European river basins were affected repeatedly by extreme floods. As both the landscape and the river systems in large parts of Central Europe have undergone major changes in the past, during the search for the causes of this accumulation of extreme events also the impact of human activities on flooding has been discussed. River training, surface sealing, intensive agricultural land-use, consolidation of farmland, and damages to forests are only some examples and consequences of the anthropogenic interferences with the landscape. But due to the diversity of the processes and factors involved, by now it can only be estimated how far the flood situation has changed by these interferences. Therefore, the main target of this thesis is to describe systematically in which way, to what extent and under which circumstances the land-use exerts an influence on storm-runoff generation and subsequently the discharge of rivers. This is investigated by means of exemplary model applications at the hydrological meso-scale. For this task, the deterministic and distributed hydrological model wasim-eth was chosen due to its well-balanced mixture of physically-based and conceptual approaches. In the framework of this thesis, the model has been extended in order to cope with several phenomena which are important when aiming at a characterization of the influence of land-use on flood generation: (1) Preferential flow in macropores is treated by a division of the soil into macropores and a soil matrix. This so-called double-porosity approach allows for fast infiltration and percolation beyond the hydraulic conductivity of the soil matrix. (2) Siltation expresses itself within the model as a deterioration of infiltration conditions at the soil surface, depending on precipitation intensity and the degree of vegetation covering. (3) The heterogeneous appearance of built-up areas, consisting of both sealed areas and pervious areas, is taken into account by dividing each partial area into an unsealed part and a sealed part which is connected to the sewer system. (4) Decentralized storage can be simulated for natural depressions as well as for specific infiltration measures with defined infiltration conditions. The extended model is exemplarily applied to three meso-scale tributaries of the Rhine river. These three catchments with an area of between 100 and 500 km² were chosen with regard to their prevailing land-use, one of them being heavily urbanized, one dominated by agricultural use, and one being mainly forested. For these three catchments, spatially explicit land-use and land-cover scenarios were developed. The impact of these scenarios on storm-runoff generation is being simulated using the extended hydrological model. In this context, namely urbanization, infiltration measures in settlement areas, conversion of farmland to set-aside areas, altered agricultural management practices, affor estation and storm damages in forests are taken into account. These changes influence the interception of rainfall, its infiltration into the soil, the subsurface flow processes next to the soil surface as well as, for example in the case of sewer systems, also runoff concentration. The hydrological simulations demonstrate that sealing of the soil surface is the most intensive intervention in the natural conditions among the ones which are mentioned above. Therefore it results in the strongest (negative) changes of the flooding situation in a catchment. In addition to that, the simulations show that a simple alteration in the interception capacity does not yield significant changes in catchment response, because the storage capacity of vegetation surfaces is rather low compared to the volume of storm events which normally lead to significant floods. More pronounced changes arise from modifications in the infiltration conditions. The limits of the methodology which was chosen for this thesis become obvious when simulating altered agricultural management practices. Due the complexity of the processes involved, mathematical description and parameterization is difficult and therefore afflicted with high uncertainty. In addition to that, the modelling results prove that global statements on the influence of land-use on flood generation are illegitimate because of the paramount importance of the climatic and physiographic boundary conditions. Climatic boundary conditions are precipitation intensity and duration as well as the moisture conditions before a storm event. The physiographic boundary counditions are given by the geomorphological and geological catchment properties. Furthermore, with increasing scale there is a shift in the relative importance of the different types of rainfall as well as the different geophysical catchment properties. Therefore, the spatial and temporal scale for which the results are valid have to be clearly defined. This is taken into account consequently within this thesis – in contrast to many other studies on this topic. Depending on boundary conditions and spatial scale, the findings allow the following statements regarding the influence of land-use changes on storm-runoff generation: (1) For intensive convective storm events with generally low antecedent soil moisture, the influence of land-use is greater than for long-lasting advective storm events with low rainfall intensities, because in the first case changes in the infiltration conditions are more important than during times of low precipitation intensities. (2) In small catchments, where small-scale convective cells can lead to a flood, the influence of land-use is accordingly greater than in large river basins like the Rhine basin, where long-lasting advective rainfalls (possibly in combination with snowmelt) are relevant. (3) In areas with good storage conditions like thick, permeable soils and pervious rock underneath, the influence of land-use is greater than in areas with thin soils and only slightly permeable bedrock. This is due to the fact that in case of deteriorating infiltration conditions, more storage space for precipitation is lost in areas with good storage conditions than in other areas.

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.

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The development of rural areas concerning food security, sustainability and social-economic stability is key issue to the globalized community. Regarding the current state of climatic change, especially semi-arid regions in uenced by monsoon or El Niño are prone to extreme weather events. Droughts, ooding, erosion, degradation of soils and water quality and deserti cation are some of the common impacts. State of the art in hydrologic environmental modeling is generally operating under a reductionist paradigm (Sivapalan 2005). Even an enormous quantity of process-oriented models exists, we fail in due reproduction of complexly interacting processes in their effective scale in the space-time-continuum, as they are described through deterministic small-scale process theories (e.g. Beven 2002). Yet large amounts of parameters - with partly doubtful physical expression - and input data are needed. In contradiction to that most soft information about patterns and organizing principles cannot be employed (Seibert and McDonnell 2002). For an analysis of possible strategies on the one hand towards integrated hydrologic modeling as decision support and on the other hand for sustainable land use development the 512 km2 large catchment of the Mod river in Jhabua, Madhya Pradesh, India has been chosen. It is characterized by a setting of common problems of peripheral rural semi-arid human-eco-systems with intensive agriculture, deforestation, droughts and general hardship for the people. Scarce data and missing gauges are adding to the requirements of data acquisition and process description. The study at hand presents a methodical framework to combine eld scale data analysis and remote sensing for the setup of a database focusing plausibility over strict data accuracy. The catena-based hydrologic model WASA (Güntner 2002) employes this database. It is expanded by a routine for crop development simulation after the de Wit approach (e.g. in Bouman et al. 1996). For its application as decision support system an agentbased land use algorithm is developed which decides on base of site speci cations and certain constraints (like maximum pro t or best local adaptation) about the cropping. The new model is employed to analyze (some) land use strategies. Not anticipated and a priori de ned scenarios will account for the realization of the model but the interactions within the system. This study points out possible approaches to enhance the situation in the catchment. It also approaches central questions of ways towards due integrated hydrological modeling on catchment scale for ungauged conditions and to overcome current paradigms. / Die Entwicklung ländlicher Regionen hinsichtlich von Ernährungssicherheit, Nachhaltigkeit und sozio-ökonomischer Stabilität ist eine der wichtigsten Aufgaben unserer globalisierten Gemeinschaft. In Hinblick auf den Klimawandel sind insbesondere semi-aride Gebiete im Einfluss von Monsun oder El Niño von extremen Wetterereignissen betroffen. Tockenheiten, Überschwemmungen, Erosion, Bodendegradation, Verschlechterung der Wasserqualität und Versteppung sind nur einige, oft beobachtete Folgen. Der Stand der Forschung in Sachen hydrologischer Umweltmodellierung ist insbesondere einem reduktionistischen Paradigma verhaftet (Sivapalan 2005). Obwohl eine enorme Menge verschiedenster Prozessmodelle existiert können auf Grundlage kleinskaliger Prozessapproximationen die komplex interagierenden Prozesse in ihren wirkenden Skalen im Raum-Zeit-Kontinuum nur begrenzt beschreiben werden (z.B. Beven 2002). Während die verwendeten Modelle große Mengen an Parametern und Daten benötigen, können wichtige Informationen über Muster und Organisationsprinzipien nicht in die Simulationen einfließen. Für eine Analyse möglicher Wege und Restriktionen der integrierten hydrologischen Modellierung als Mittel in der Entscheidungsunterstützung wurde das 512 km² große Einzugsgebiet des Mod Flusses in Jhabua, Madhya Pradesh, Indien ausgewählt. Es ist gekennzeichnet von charakteristischen Problemen der Neuen Peripherie (z.B. Scholz 2004) (im human-geographischen Kontext) und intensiv anthropogen beeinflusster Agrar-Öko-Systeme der semi-ariden Tropen. Die dünne Datengrundlage des nicht-bepegelten Einzugsgebiets stellt dabei eine besondere Anforderung an die Datenakquise. In der vorliegenden Arbeit wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, der Feld- und Fernerkundungstechniken zur Landschaftsanalyse verbindet. Mit dem Fokus auf Plausibilität statt strenger "Datengenauigkeit" wird eine Datenbank zur hydrologischen Modellierung des Gebiets entwickelt. Das Catena-basierte hydrologische Prozessmodell WASA (Güntner 2002) wird um eine Routine zur Simulation der Entwicklung von Nutzpflanzen nach de Wit (z.B. in Bouman et al. 1996) erweitert. Zur Anwendung des Modells als Entscheidungsunterstützungssystem ist ein agentenbasierter Landnutzungsalgorithmus entwickelt worden, welcher auf Grundlage von Standorteigenschaften und politischen Vorgaben wie Profitmaximierung oder Standortanpassung über die Landnutzung entscheidet. Das neue Modellsystem wird zur Untersuchung von einigen Landnutzungstrategien so verwendet, dass nicht antizipierte Szenarien sondern die Wechselwirkung des Systems selbst die Realisation des Modells bestimmen. Die Umsetzung zeigt einerseits mögliche Ansätze zur Verbesserung der Situation im Untersuchungsgebiet auf. Anderseits gibt sie konkrete Vorschläge zu zentralen Fragen hydrologischer Umweltmodellierung und zur Überwindung bestehender Paradigmen.

Durch die Stilllegung der Kali-Gewinnung und -Produktion zwischen 1990 und 1993 sowie die begonnene Rekultivierung der Kali-Rückstandshalden haben sich die Salzfrachteintragsbedingungen für die Fließgwewässer im "Südharz-Kalirevier" in Thüringen zum Teil deutlich verändert. Aufgrund erheblich geringerer Salzeinträge in die Vorfluter Wipper und Bode ist es möglich geworden, zu einer ökologisch verträglichen Salzfrachtsteuerung überzugehen. Die Komplexität der zugrunde liegenden Stofftransportprozesse im Einzugsgebiet der Wipper macht es jedoch unumgänglich, den Steuerungsvorgang nicht nur durch reine Bilanzierungsvorgänge auf der betrachteten Steuerstrecke zu erfassen (so wie bisher praktiziert), sondern auch die Abflussdynamik im Fließgewässer und den Wasserhaushalt im Gebiet mit einzubeziehen. <br><br> Die Ergebnisse dieser Arbeit dienen zum einen einer Vertiefung der Prozessverständnisse und der Interaktion von Wasserhaushalt, Abflussbildung sowie Stofftransport in bergbaubeeinflussten Einzugsgebieten am Beispiel der Unstrut bzw. ihrer relevanten Nebenflüsse. Zum anderen sollen sie zur Analyse und Bewertung eines Bewirtschaftungsplanes für die genannten Fließgewässer herangezogen werden können. Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines prognosetauglichen Steuerungsinstrumentes, das für die Bewirtschaftung von Flusseinzugsgebieten unterschiedlicher Größe genutzt und unter den Rahmenbedingungen der bergbaubedingten salinaren Einträge effektiv zur Steuerung der anthropogenen Frachten eingesetzt werden kann. <br><br> Die Quellen der anthropogen eingeleiteten Salzfracht sind vor allem die Rückstandshalden der stillgelegten Kaliwerke. Durch Niederschläge entstehen salzhaltige Haldenabwässer, die zum Teil ungesteuert über oberflächennahe Ausbreitungsvorgänge direkt in die Vorfluter gelangen, ein anderer Teil wird über die Speichereinrichtungen gefasst und gezielt abgestoßen. Durch Undichtigkeiten des Laugenstapelbeckens in Wipperdorf gelangen ebenfalls ungesteuerte Frachteinträge in die Wipper. Ein weiterer Eintragspfad ist zudem die geogene Belastung. <br><br> Mit Hilfe detaillierter Angaben zu den oben genannten Eintragspfaden konnten Modellrechnungen im Zeitraum von 1992 bis 2003 durchgeführt werden. Durch die Ausarbeitung eines neuartigen Steuerungskonzeptes für das Laugenstapelbecken Wipperdorf, war es nun möglich, die gefasste Haldenlauge entsprechend der aktuellen Abflusssituation gezielt abstoßen zu können. Neben der modelltechnischen Erfassung der aktuellen hydrologischen Situation und der Vorgabe eines Chlorid-Konzentrationssteuerzieles für den Pegel Hachelbich, mussten dabei weitere Randbedingungen (Beckenkapazität, Beckenfüllstand, Mindestfüllstand, Kapazität des Ableitungskanals, usw.) berücksichtigt werden. <br><br> Es zeigte sich, dass unter Anwendung des Steuerungskonzeptes die Schwankungsbreite der Chloridkonzentration insgesamt gesehen deutlich verringert werden konnte. Die Überschreitungshäufigkeiten bezüglich eines Grenzwertes von 2 g Chlorid/l am Pegel Hachelbich fielen deutlich, und auch die maximale Dauer einer solchen Periode konnte stark verkürzt werden. Kritische Situationen bei der modelltechnischen Frachtzusteuerung traten nur dann auf, wenn Niedrigwasserverhältnisse durch die Simulationsberechnungen noch unterschätzt wurden. Dies hatte deutliche Überschreitungen der Zielvorgaben für den Pegel Hachelbich zur Folge. <br><br> Mit Hilfe des Steuerungsalgorithmus konnten desweiteren auch Szenarienberechnungen durchgeführt werden, um die Auswirkungen zukünftig zu erwartender Salzfrachten näher spezifizieren zu können. Dabei konnte festgestellt werden, dass Abdichtungsmaßnahmen der Haldenkörper sich direkt positiv auf die Entwicklung der Konzentration in Hachelbich auswirkten. Durch zusätzlich durchgeführte Langzeitszenarien konnte darüber hinaus nachgewiesen werden, dass langfristig eine Grenzwertfestlegung auf 1,5 g Chlorid/l in Hachelbich möglich ist, und die Stapelkapazitäten dazu ausreichend bemessen sind. / As a consequence of general closure and conversion of potash-industries between the years 1990 and 1993 and due to the beginning of recultivation activities on the potash stockpiles the load of dissolved potassium salt of rivers in the "Südharz-Kalirevier" in the German federal state of Thuringia has considerably changed. The extremely decreased salt inputs into the tributaries of Wipper and Bode were accompanied by a change in salt load management towards a system controlled with respect to river ecology. Due to the high complexity of salt transport processes in the Wipper catchment, the existing operation rules cannot comply with the present requirements, so that a comprehensive knowledge of water balance processes and river flow dynamics have to be included in management strategies. <br><br> On the one hand this investigation aims to analyse the processes and the interaction of water balance, runoff generation and solute transport in catchment areas influenced by salt mining activities such as the case in the river Unstrut and its relevant tributaries. On the other hand the results of this study can help to analyse and assess sustainable management plans for the above mentioned river basins. Thus the main objective of this study is to develop an integrated, predictive management tool, that can be applied for catchment areas of different spatial scales and for the effective use of controlled discharge of anthropogenic salt solution taking into account the basic input conditions from salt mining activities. <br><br> The most important sources of anthropogenic salt inputs into the river stream are the salt loads from the potash stockpiles near the disused mines. Due to usual precipitation salt solution leaches from the stockpiles, which partly reaches the river streams uncontrolled by lateral interflow processes. Another part is being gathered in reservoirs and than discharged according to special system operation rules. As well dissolved salt loads comes into the Wipper by leakage processes out of the reservoir in Wipperdorf. Furthermore geogenic input is another important emission pathway. <br><br> With detailed information about these different emission pathways, model simulations were performed within the period from 1992 to 2003. After the technical implementation of a new management strategy for the reservoir in Wipperdorf, now it was possible to push off the stored lye according to the actual runoff situation in the river stream. Beside a fully modell aided description of the whole actual hydrological situtation and provided control values for chloride concentration at the gauging station in Hachelbich, also other boundary conditions had to be considered for this purpose (such as reservoir capacity, actual fill level, minimum fill level, drain capacity etc.). <br><br> It turned out, that the application of the new management strategy led to a clear decreased range in chloride concentration. Frequencies of exceeding a critical value of 2 g chloride/l at gauging station in Hachelbich enormously declined and the maximum duration of such periods could rigorously be shortened. Particluar critical situations in calculating potential lye discharge only occured when measured flow discharge was underestimated through model simulations. In this case control values for the gauging station in Hachelbich could not be achieved. <br><br> With this new management tool scenario simulations were executed to analyse the effects of expected amounts of lye in future. These theoretical studies showed the decreasing trend in chloride concentration if restorations measures at the stockpiles would be continued. Longterm scenario runs also showed, that a threshold value of 1,5 g chloride/l in Hachelbich could be achieved and existing storage capacities therefor will be sufficiently dimensioned.

Temporal gravimeter observations, used in geodesy and geophysics to study variation of the Earth’s gravity field, are influenced by local water storage changes (WSC) and – from this perspective – add noise to the gravimeter signal records. At the same time, the part of the gravity signal caused by WSC may provide substantial information for hydrologists. Water storages are the fundamental state variable of hydrological systems, but comprehensive data on total WSC are practically inaccessible and their quantification is associated with a high level of uncertainty at the field scale. This study investigates the relationship between temporal gravity measurements and WSC in order to reduce the hydrological interfering signal from temporal gravity measurements and to explore the value of temporal gravity measurements for hydrology for the superconducting gravimeter (SG) of the Geodetic Observatory Wettzell, Germany. A 4D forward model with a spatially nested discretization domain was developed to simulate and calculate the local hydrological effect on the temporal gravity observations. An intensive measurement system was installed at the Geodetic Observatory Wettzell and WSC were measured in all relevant storage components, namely groundwater, saprolite, soil, top soil and snow storage. The monitoring system comprised also a suction-controlled, weighable, monolith-filled lysimeter, allowing an all time first comparison of a lysimeter and a gravimeter. Lysimeter data were used to estimate WSC at the field scale in combination with complementary observations and a hydrological 1D model. Total local WSC were derived, uncertainties were assessed and the hydrological gravity response was calculated from the WSC. A simple conceptual hydrological model was calibrated and evaluated against records of a superconducting gravimeter, soil moisture and groundwater time series. The model was evaluated by a split sample test and validated against independently estimated WSC from the lysimeter-based approach. A simulation of the hydrological gravity effect showed that WSC of one meter height along the topography caused a gravity response of 52 µGal, whereas, generally in geodesy, on flat terrain, the same water mass variation causes a gravity change of only 42 µGal (Bouguer approximation). The radius of influence of local water storage variations can be limited to 1000 m and 50 % to 80 % of the local hydro¬logical gravity signal is generated within a radius of 50 m around the gravimeter. At the Geodetic Observatory Wettzell, WSC in the snow pack, top soil, unsaturated saprolite and fractured aquifer are all important terms of the local water budget. With the exception of snow, all storage components have gravity responses of the same order of magnitude and are therefore relevant for gravity observations. The comparison of the total hydrological gravity response to the gravity residuals obtained from the SG, showed similarities in both short-term and seasonal dynamics. However, the results demonstrated the limitations of estimating total local WSC using hydrological point measurements. The results of the lysimeter-based approach showed that gravity residuals are caused to a larger extent by local WSC than previously estimated. A comparison of the results with other methods used in the past to correct temporal gravity observations for the local hydrological influence showed that the lysimeter measurements improved the independent estimation of WSC significantly and thus provided a better way of estimating the local hydrological gravity effect. In the context of hydrological noise reduction, at sites where temporal gravity observations are used for geophysical studies beyond local hydrology, the installation of a lysimeter in combination with complementary hydrological measurements is recommended. From the hydrological view point, using gravimeter data as a calibration constraint improved the model results in comparison to hydrological point measurements. Thanks to their capacity to integrate over different storage components and a larger area, gravimeters provide generalized information on total WSC at the field scale. Due to their integrative nature, gravity data must be interpreted with great care in hydrological studies. However, gravimeters can serve as a novel measurement instrument for hydrology and the application of gravimeters especially designed to study open research questions in hydrology is recommended. / Zeitabhängigen Gravimetermessungen, die in der Geodäsie und der Geophysik eingesetzt werden, um Variationen des Erdschwerefelds zu messen, werden durch lokale Wasserspeicheränderungen beeinflusst und verursachen – aus dieser Perspektive – ein hydrologisches Störsignal in den Gravimetermessungen. Gleichzeitig bietet der Teil des Gravimetersignals, der durch Wasserspeicheränderungen hervorgerufen wird, das Potential wichtige Informationen über hydrologische Speicher zu gewinnen, da zwar Wasserspeicher eine grundlegende Zustandsgröße hydrologischer Systeme darstellt, jedoch ihre Quantifizierung mit einem hohen Maß an Unsicherheiten auf der Feldskala behaftet ist. Diese Studie untersucht die Beziehung zwischen zeitabhängigen Gravimetermessungen und Wasserspeicheränderungen, um die Gravimetermessungen von dem hydrologischen Störsignal zu bereinigen und um den Nutzen der Gravimetermessungen für die Hydrologie zu erkunden. Dies geschieht am Beispiel des Supraleitgravimeters (SG) des Geodätischen Observatoriums Wettzell in Deutschland. Ein 4D Vorwärtsmodel mit einer räumlich genesteten Diskretisierungsdomäne wurde entwickelt, um die lokalen hydrologischen Masseneffekte auf Gravimetermessungen zu simulieren. Des Weiteren wurde ein intensives Messsystem am Geodätischen Observatorium Wettzell installiert, um die Wasserspeicheränderungen in allen relevanten Speicherkomponenten, also im dem Grundwasser, in der ungesättigten Zone und im Schneespeicher zu messen. Das Monitoringsystem beinhaltete auch einen wägbaren, monolithischen Lysimeter mit Matrixpotentialübertragung, der es uns ermöglichte, zum ersten Mal einen Lysimeter direkt mit einem Gravimeter zu vergleichen. Die Lysimetermessungen wurden in Kombination mit komplementären hydrologischen Beobachtungen und einem 1D-Modell verwendet, um die Wasserspeicheränderungen auf der Feldskala zu bestimmen. Die Gesamtwasserspeicheränderungen wurden bestimmt, Unsicherheiten abgeschätzt und der hydrologische Masseneffekt auf Gravimetermessungen berechnet. Schlussendlich wurde ein einfaches, konzeptionelles, hydrologisches Modell mittels der Zeitreihen von dem SG, Bodenfeuchte- und Grundwassermessungen kalibriert und evaluiert. Das Modell wurde durch einen “Split-Sample-Test” evaluiert und basierend auf unabhängig bestimmten Wasserspeicheränderungen bestimmt auf Grundlage der Lysimetermessungen validiert. Die Simulation des hydrologischen Masseneffektes auf Gravimetermessungen zeigte, dass Wasserspeicheränderungen von einem Meter Höhe entlang der Topographie, einen Erdschwereeffekt von 52 µGal hervorriefen, während in der Geodäsie im Allgemeinen die gleiche Wassermassenvariation in flachem Terrain eine Erdschwereeffekt von nur 42 µGal (Bouguer-Platte) hervorruft. Der Einflussradius der lokalen Wasserspeicheränderungen kann auf 1000 m begrenzt werden, und 50 % bis 80 % des lokalen hydrologischen Erdschweresignals wird in einem Radius von 50 m um den Gravimeter generiert. Wasserspeichervariationen in der Schneedecke, im Oberboden, dem ungesättigten Saprolith und im gelüfteten Aquifer, sind allesamt wichtige Größen der lokalen Wasserbilanz. Mit der Ausnahme von Schnee beeinflussen alle Speicheränderungen die Gravimetermessungen in derselben Größenordnung und sind daher für die Gravimetermessungen von Bedeutung. Ein Vergleich des lokalen hydrologischen Gravitationseffektes mit den SG Residuen zeigte sowohl ereignisbezogene als auch saisonalen Übereinstimmungen. Weiterhin zeigten die Ergebnisse jedoch auch die Grenzen bei der Bestimmung der gesamten lokalen Wasserspeichervariationen mithilfe hydrologischer Punktmessungen auf. Die Ergebnisse des Lysimeter-basierten Ansatzes zeigten, dass SG Residuen mehr noch, als bisher aufgezeigt, durch lokale Wasserspeicheränderungen hervorgerufen werden. Ein Vergleich der Resultate mit anderen Methoden, die in der Vergangenheit zur Korrektur zeitabhängiger Erdschwerebeobachtungen durch Bestimmung des lokalen hydrologischen Masseneffekte verwendet wurden, zeigte, dass die unabhängige Berechnung von Wasserspeicheränderungen durch Lysimetermessungen erheblich verbessert werden kann und dass diese somit eine verbesserte Methode zur Bestimmung des lokalen hydrologischen Erdschwereeffekts darstellt. Die Installation eines Lysimeters ist somit im Zusammenhang mit einer Reduzierung des hydrologischen Störsignals und an Standorten, wo zeitabhängige Erdschwerebeobachtungen für geophysikalische Studien, die über die lokale Hydrologie hinausgehen verwendet werden, zu empfehlen. Aus hydrologischer Sicht zeigte diese Studie, dass die Verwendung von zeitabhängigen Gravimetermessungen als Kalibrierungsdaten die Modellergebnisse im Vergleich zu hydrologischen Punktmessungen verbesserten. Auf Grund ihrer Fähigkeit, über verschiedene Speicherkomponenten und ein größeres Gebiet zu integrieren, bieten Gravimeter verallgemeinerte Informationen über die Gesamtwasserspeicherveränderungen auf der Feldskala. Diese integrative Eigenschaft macht es notwendig, Erdschweredaten in hydrologischen Studien mit großer Vorsicht zu interpretieren. Dennoch können Gravimeter der Hydrologie als neuartiges Messinstrument dienen und die Nutzung von Gravimetern, die speziell für die Beantwortung noch offener Forschungsfragen der Hydrologie entwickelt wurden wird hier empfohlen.

Der Landschaftswasserhaushalt stellt die Integrationsebene der Geokomponenten Klima, Boden und Landnutzung dar und unterliegt aktuell einer intensiven Forschungstätigkeit. Die charakteristische Ausprägung des Landschaftswasserhaushaltes ist in der mitteleuropäischen Kulturlandschaft das Ergebnis einer von vielfältigen Triebkräften bestimmten komplexen Nutzung. Diese existierenden Nutzungsansprüche werden aber nicht gezielt zur Optimierung des Landschaftswasserhaushaltes koordiniert, da die handelnden Akteure teils völlig gegensätzlichen Zielrichtungen verfolgen. Insgesamt gesehen bietet die Optimierung der nicht besiedelten Landfläche auf Grund ihrer großen Flächeninanspruchnahme die größten Potentiale der Beeinflussung des Landschaftswasserhaushaltes. In der vorliegenden Arbeit werden mit der hydrologischen Modellierung und der funktionalen Landschaftsbewertung zwei völlig unterschiedliche methodische Ansätze zur Analyse hydrologischer Prozesse im Landschaftswasserhaushalt genutzt, um die Reaktion des Wasserhaushaltes auf Landschaftsveränderungen zu untersuchen. Es wird am Beispiel eines Flusseinzugsgebietes im Erzgebirge gezeigt, inwieweit sich durch ein Niederschlag-Abfluss-Modell Änderungen im Wasserhaushalt von Landnutzungsszenarien aufzeigen lassen, die auf der Grundlage von Landschaftsbewertungsverfahren erstellt wurden. Es sollen also mittels hydrologischer Modellierung die qualitativen Resultate eines deutlich einfacher zu realisierenden Planungsverfahrens quantifiziert werden. Auf der Basis der bewerteten Landschaftsfunktionen Abflussregulationsfunktion, Wassererosionswiderstand, Ertragspotential und physikochemisches Filtervermögen des Bodens wurden durch multikriterielle Optimierung mit der Software LNOPT zwei sich unterscheidende Szenarien, ein eher realistisch angelegtes Szenario (Realszenario) und ein Szenario mit möglichst hoher Retentionswirkung (Szenario Abflussminimierung) entwickelt. Beide Szenarien sind an die Realität angelehnt und nicht fiktiv, wodurch sich starke Einschränkungen hinsichtlich der optimierbaren Fläche ergeben. So stehen nur 36,5 % der Gesamtfläche zur Landnutzungsoptimierung zur Verfügung wovon nur 12,5 % der Fläche durch den Optimierungsprozess in ihrer Nutzung umgewidmet wird. Der Wasserhaushalt der entwickelten Landnutzungsszenarien wurde mit dem Wasserhaushaltssimulationsmodell WaSiM-ETH in zehn ausgewählten Teileinzugsgebieten modelliert. Die Gebietsanpassung erfolgte dabei an den Pegeln Lauenstein und Geising mit einem multi-response Ansatz, der auch Ergebnisse einer Ganglinienseparation und Vergleiche zu einer Arbeit im benachbarten Weißeritzeinzugsgebiet berücksichtigt. Im Ergebnis zeigte die Validierung eine gelungene Gebietsanpassung des Modells WaSiM-ETH mit geringen Schwächen im Winter und bei außergewöhnlichen Extremereignissen. Insgesamt zeigt sich in allen modellierten Teileinzugsgebieten ein Rückgang des Gesamtabflusses, allerdings in Größenordnungen, die sich räumlich sehr stark unterscheiden. Berechnet wurde dabei nur der Wasserhaushalt für das Szenario „Abflussminimierung“, da sich beide Szenarien in den hydrologisch ähnlichen Teileinzugsgebieten nur wenig unterscheiden. Die statistische Auswertung der Ergebnisse erfolgte mit Spearmans Rangkorrelations¬koeffizient und zeigte: • dass mit steigender Höhenlage die Möglichkeiten der Abflussminimierung durch Landnutzungsveränderungen abnehmen. Im Indikator Höhenlage spiegeln sich dabei mehrere Parameter wider, welche die sich mit der Höhe wandelnden Klima-, Boden- und Reliefbedingungen ausdrücken. • dass mögliche Abflussminderungen mit dem Ackeranteil eines Einzugsgebietes positiv signifikant korreliert sind. Die Abflussminderungspotentiale steigen also mit steigendem Ackeranteil an. • dass die absolute Niederschlagsmenge keinen direkten Einfluss auf die Abflussminderung hat, vielmehr ist die jährliche Niederschlagsverteilung bedeutsam für die Möglichkeiten des Wasserrückhaltes in der Fläche. Als Voraussetzung für die erfolgreiche Anwendung von LNOPT im Rahmen hydrologischer Fragestellungen sind die Berücksichtigung beziehungsweise Bearbeitung folgender Punkte: • Ermittlung der hydrologischen Senkenpotentiale zu Beginn des Planungsprozesses um sich auf Gebiete mit hohem hydrologischen Senkenpotential zu konzentrieren, • Planung von Landnutzungsveränderungen hinsichtlich Nutzungstyp, Nutzungsart oder Nutzungsintensität anhand von Bewertungsverfahren, welche die hydrologischen Differenzen gut widerspiegeln, • Einbeziehung der handelnden Akteure in den Planungsprozess um die möglichst vollständige Umsetzung der geplanten Maßnahmen zu ermöglichen. Mit der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass im Mittelgebirgsraum Abflussminderungspotentiale im Zuge von Landnutzungsveränderungen vorhanden sind, diese aber regional sehr stark differenziert ausgeprägt sind. Methodisch konnte demonstriert werden, dass das eingesetzte Verfahren der multikriteriellen Landnutzungsoptimierung zur Planungsunterstützung im Rahmen hydrologischer Fragestellungen genutzt werden kann, wenn die genannten Rahmenbedingungen beachtet werden. / The hydrological balance of a landscape integrates different geocomponents such as climate, soil and land use and is an object of intensive research activities. The specific characteristic of the hydrological balance of a landscape shows the result of a complex utilisation system which is caused by manifold driving forces. Due to different strategic objectives of thestakeholders, their demands are contrasting and therefore it is very difficult to coordinate these demands with respect to influencing the hydrological balance of a landscape. Changes of land use in non-settled areas have the highest potential of modifying the hydrological balance of a landscape due to the large extent of affected area. In this thesis two different methodical approaches are used to analyse the hydrological processes in the water balance of a landscape in order to investigate the effects of land use changes on the hydrological balance of a landscape. The applied methods are hydrological modelling and functional landscape assessment. Hydrological modelling quantifies the water balance of scenarios made by a much easier to realise planning method on the basis of a functional landscape assessment. Land use scenarios on the basis of a functional landscape assessment can be build through a multi-criteria optimisation process using the software LNOPT (“land use op-timisation”). By using this method, the hydrological balance of a landscape and the specific local conditions are described by the following landscape functions: runoff regulation, resistance against water erosion, biotic yield potential and physical-chemical cleaning potential of soils. On the basis of the assessment of these landscape functions, two land use scenarios were developed using the method of multi-criteria optimisation, namely, a more realistic scenario and one with the highest possible water retention potential. Even though both scenarios are different in their closeness to reality, they are both inspired by reality and not just fictitious. Due to different restrictions only 36.5 % of the entire catchment area could be used in the optimisation process. In the scenario with the highest possible water retention potential only 12.5 % of the land use was changed and in the more realistic scenario the changes were slightly smaller. The water balance simulation model WaSiM-ETH is well suited to quantify changes in the hydrological balance in the context of land-use changes at the meso-scale. The adaptations to the catchment area characteristics were done by the calibration on the gauges Lauenstein and Geising in a multi response approach considering results of a hydrograph curve separation and the results of a research in the neighbouring Weisseritz catchment. The validation shows a successful adaptation to the regional catchment area characteristics with minor shortcomings in winter and by extraordinary high precipitation events. In the whole investigated area possible changes of the hydrological balance are rather negligible due to only small land use changes. But in 10 selected subcatchments the hydrological modelling shows a decrease of discharge in the scenario with the highest possible water retention potential. The dimensions of the decrease in the discharge are regionally very different due to varying spatial characteristics. These differences get systemised through a statistical analysis using the Spearman’s Rank Correlation Coefficient. The following correlations were found: • The possibilities of a decrease in discharge through land use modification are getting smaller with an increase in altitude. The complex indicator “altitude” contains different parameters which reflect the shifting of climatic, soil and relief conditions with changing altitude. • The possibilities of a decrease in discharge are getting higher with the percentage of arable land in the subcatchments. • The amount of precipitation has no direct influence of the possible decrease in discharge in the subcatchments. The influence of the annual variation of precipitation is larger than the absolute annual amount of precipitation. For a successful application of LNOPT for the development of land use scenarios with a hydrologic context the following requirements have to be considered: • ahead of the planning process, pedological and geological potentials of the investigated area in terms of a decrease in discharge should be investigated • landscape functions which show hydrological differences in terms of land use types, the kind and the intensity of land use should be used • local steak holders should be integrated in the planning process to ensure the complete implementation of the planned measures as much as possible. In this thesis it could be shown that mountainous regions have a potential for a decrease in discharge caused by a land use change, but with substantial regional variations. The evaluation of the used methods demonstrated that the multi-criteria optimisation software LNOPT is well suited to support hydrological related planning processes if conditions mentioned above are considered.

Der Landschaftswasserhaushalt stellt die Integrationsebene der Geokomponenten Klima, Boden und Landnutzung dar und unterliegt aktuell einer intensiven Forschungstätigkeit. Die charakteristische Ausprägung des Landschaftswasserhaushaltes ist in der mitteleuropäischen Kulturlandschaft das Ergebnis einer von vielfältigen Triebkräften bestimmten komplexen Nutzung. Diese existierenden Nutzungsansprüche werden aber nicht gezielt zur Optimierung des Landschaftswasserhaushaltes koordiniert, da die handelnden Akteure teils völlig gegensätzlichen Zielrichtungen verfolgen. Insgesamt gesehen bietet die Optimierung der nicht besiedelten Landfläche auf Grund ihrer großen Flächeninanspruchnahme die größten Potentiale der Beeinflussung des Landschaftswasserhaushaltes. In der vorliegenden Arbeit werden mit der hydrologischen Modellierung und der funktionalen Landschaftsbewertung zwei völlig unterschiedliche methodische Ansätze zur Analyse hydrologischer Prozesse im Landschaftswasserhaushalt genutzt, um die Reaktion des Wasserhaushaltes auf Landschaftsveränderungen zu untersuchen. Es wird am Beispiel eines Flusseinzugsgebietes im Erzgebirge gezeigt, inwieweit sich durch ein Niederschlag-Abfluss-Modell Änderungen im Wasserhaushalt von Landnutzungsszenarien aufzeigen lassen, die auf der Grundlage von Landschaftsbewertungsverfahren erstellt wurden. Es sollen also mittels hydrologischer Modellierung die qualitativen Resultate eines deutlich einfacher zu realisierenden Planungsverfahrens quantifiziert werden. Auf der Basis der bewerteten Landschaftsfunktionen Abflussregulationsfunktion, Wassererosionswiderstand, Ertragspotential und physikochemisches Filtervermögen des Bodens wurden durch multikriterielle Optimierung mit der Software LNOPT zwei sich unterscheidende Szenarien, ein eher realistisch angelegtes Szenario (Realszenario) und ein Szenario mit möglichst hoher Retentionswirkung (Szenario Abflussminimierung) entwickelt. Beide Szenarien sind an die Realität angelehnt und nicht fiktiv, wodurch sich starke Einschränkungen hinsichtlich der optimierbaren Fläche ergeben. So stehen nur 36,5 % der Gesamtfläche zur Landnutzungsoptimierung zur Verfügung wovon nur 12,5 % der Fläche durch den Optimierungsprozess in ihrer Nutzung umgewidmet wird. Der Wasserhaushalt der entwickelten Landnutzungsszenarien wurde mit dem Wasserhaushaltssimulationsmodell WaSiM-ETH in zehn ausgewählten Teileinzugsgebieten modelliert. Die Gebietsanpassung erfolgte dabei an den Pegeln Lauenstein und Geising mit einem multi-response Ansatz, der auch Ergebnisse einer Ganglinienseparation und Vergleiche zu einer Arbeit im benachbarten Weißeritzeinzugsgebiet berücksichtigt. Im Ergebnis zeigte die Validierung eine gelungene Gebietsanpassung des Modells WaSiM-ETH mit geringen Schwächen im Winter und bei außergewöhnlichen Extremereignissen. Insgesamt zeigt sich in allen modellierten Teileinzugsgebieten ein Rückgang des Gesamtabflusses, allerdings in Größenordnungen, die sich räumlich sehr stark unterscheiden. Berechnet wurde dabei nur der Wasserhaushalt für das Szenario „Abflussminimierung“, da sich beide Szenarien in den hydrologisch ähnlichen Teileinzugsgebieten nur wenig unterscheiden. Die statistische Auswertung der Ergebnisse erfolgte mit Spearmans Rangkorrelations¬koeffizient und zeigte: • dass mit steigender Höhenlage die Möglichkeiten der Abflussminimierung durch Landnutzungsveränderungen abnehmen. Im Indikator Höhenlage spiegeln sich dabei mehrere Parameter wider, welche die sich mit der Höhe wandelnden Klima-, Boden- und Reliefbedingungen ausdrücken. • dass mögliche Abflussminderungen mit dem Ackeranteil eines Einzugsgebietes positiv signifikant korreliert sind. Die Abflussminderungspotentiale steigen also mit steigendem Ackeranteil an. • dass die absolute Niederschlagsmenge keinen direkten Einfluss auf die Abflussminderung hat, vielmehr ist die jährliche Niederschlagsverteilung bedeutsam für die Möglichkeiten des Wasserrückhaltes in der Fläche. Als Voraussetzung für die erfolgreiche Anwendung von LNOPT im Rahmen hydrologischer Fragestellungen sind die Berücksichtigung beziehungsweise Bearbeitung folgender Punkte: • Ermittlung der hydrologischen Senkenpotentiale zu Beginn des Planungsprozesses um sich auf Gebiete mit hohem hydrologischen Senkenpotential zu konzentrieren, • Planung von Landnutzungsveränderungen hinsichtlich Nutzungstyp, Nutzungsart oder Nutzungsintensität anhand von Bewertungsverfahren, welche die hydrologischen Differenzen gut widerspiegeln, • Einbeziehung der handelnden Akteure in den Planungsprozess um die möglichst vollständige Umsetzung der geplanten Maßnahmen zu ermöglichen. Mit der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass im Mittelgebirgsraum Abflussminderungspotentiale im Zuge von Landnutzungsveränderungen vorhanden sind, diese aber regional sehr stark differenziert ausgeprägt sind. Methodisch konnte demonstriert werden, dass das eingesetzte Verfahren der multikriteriellen Landnutzungsoptimierung zur Planungsunterstützung im Rahmen hydrologischer Fragestellungen genutzt werden kann, wenn die genannten Rahmenbedingungen beachtet werden. / The hydrological balance of a landscape integrates different geocomponents such as climate, soil and land use and is an object of intensive research activities. The specific characteristic of the hydrological balance of a landscape shows the result of a complex utilisation system which is caused by manifold driving forces. Due to different strategic objectives of thestakeholders, their demands are contrasting and therefore it is very difficult to coordinate these demands with respect to influencing the hydrological balance of a landscape. Changes of land use in non-settled areas have the highest potential of modifying the hydrological balance of a landscape due to the large extent of affected area. In this thesis two different methodical approaches are used to analyse the hydrological processes in the water balance of a landscape in order to investigate the effects of land use changes on the hydrological balance of a landscape. The applied methods are hydrological modelling and functional landscape assessment. Hydrological modelling quantifies the water balance of scenarios made by a much easier to realise planning method on the basis of a functional landscape assessment. Land use scenarios on the basis of a functional landscape assessment can be build through a multi-criteria optimisation process using the software LNOPT (“land use op-timisation”). By using this method, the hydrological balance of a landscape and the specific local conditions are described by the following landscape functions: runoff regulation, resistance against water erosion, biotic yield potential and physical-chemical cleaning potential of soils. On the basis of the assessment of these landscape functions, two land use scenarios were developed using the method of multi-criteria optimisation, namely, a more realistic scenario and one with the highest possible water retention potential. Even though both scenarios are different in their closeness to reality, they are both inspired by reality and not just fictitious. Due to different restrictions only 36.5 % of the entire catchment area could be used in the optimisation process. In the scenario with the highest possible water retention potential only 12.5 % of the land use was changed and in the more realistic scenario the changes were slightly smaller. The water balance simulation model WaSiM-ETH is well suited to quantify changes in the hydrological balance in the context of land-use changes at the meso-scale. The adaptations to the catchment area characteristics were done by the calibration on the gauges Lauenstein and Geising in a multi response approach considering results of a hydrograph curve separation and the results of a research in the neighbouring Weisseritz catchment. The validation shows a successful adaptation to the regional catchment area characteristics with minor shortcomings in winter and by extraordinary high precipitation events. In the whole investigated area possible changes of the hydrological balance are rather negligible due to only small land use changes. But in 10 selected subcatchments the hydrological modelling shows a decrease of discharge in the scenario with the highest possible water retention potential. The dimensions of the decrease in the discharge are regionally very different due to varying spatial characteristics. These differences get systemised through a statistical analysis using the Spearman’s Rank Correlation Coefficient. The following correlations were found: • The possibilities of a decrease in discharge through land use modification are getting smaller with an increase in altitude. The complex indicator “altitude” contains different parameters which reflect the shifting of climatic, soil and relief conditions with changing altitude. • The possibilities of a decrease in discharge are getting higher with the percentage of arable land in the subcatchments. • The amount of precipitation has no direct influence of the possible decrease in discharge in the subcatchments. The influence of the annual variation of precipitation is larger than the absolute annual amount of precipitation. For a successful application of LNOPT for the development of land use scenarios with a hydrologic context the following requirements have to be considered: • ahead of the planning process, pedological and geological potentials of the investigated area in terms of a decrease in discharge should be investigated • landscape functions which show hydrological differences in terms of land use types, the kind and the intensity of land use should be used • local steak holders should be integrated in the planning process to ensure the complete implementation of the planned measures as much as possible. In this thesis it could be shown that mountainous regions have a potential for a decrease in discharge caused by a land use change, but with substantial regional variations. The evaluation of the used methods demonstrated that the multi-criteria optimisation software LNOPT is well suited to support hydrological related planning processes if conditions mentioned above are considered.

Pollution of surface and groundwater, due to improper land management, has become a major problem worldwide. Integrated watershed modelling provides a tool for the understanding of the processes governing water and matter transport at different scales within the watershed. The Soil Water Assessment Tool (SWAT) has been successfully utilized for the combined modelling of water fluxes and quality within a large range of scales and environmental conditions across the world. For suitable assessments integrated watershed models require large data sets of measured information for both model parameterization as for model calibration and validation. Data scarcity represents a serious limitation to the use of hydrologic models for supporting decision making processes, and may lead unsupported statements, poor statistics, misrepresentations, and, ultimately, to inappropriate measures for integrated water resources management efforts. In particular, the importance of spatially distributed soil information is often overlooked. In this thesis the eco-hydrological SWAT model was been applied to assess the water balance and diffuse pollution loadings of two rivers within a rural context at the mesoscale watershed level: 1) the Western Bug River, Ukraine, 2) the Águeda River, Portugal. Both watersheds in focus serve as examples for areas where the amount and quality of the measured data hinders a strait forward hydrologic modelling assessment. The Dobrotvir watershed (Western Bug River, Ukriane) is an example of such a region. In the former Soviet Union, soil classification primarily focused on soils of agricultural importance, whereas, forested, urban, industrial, and shallow soil territories were left underrepresented in the classification systems and resulting soil maps. Similarly the forest-dominated Águeda watershed in North-Central Portugal is a second example of a region with serious soil data availability limitations. Through the use of pedotransfer functions (PTFs) and the construction of soil-landscape models the data gaps could be successfully diminished, allowing a subsequent integrated watershed modelling approach. A valuable tool for the data gap closure was the fuzzy logic Soil Land Inference Model (SoLIM) which, combined with information from several soil surveys, was used to create improved maps. In the Dobrotvir watershed the fuzzy approach was used to close the gaps of the existing soil map, while in the Águeda watershed a new soil properties map, based upon the effective soil depths of the landscape, was constructed. While the water balance simulation in both study areas was successful, a calibration parameter ensemble approach was tested for the Águeda watershed. In the common modelling practice the individual best simulation and best parameter set is considered, the tested approach involved merging individual model outputs from numerous acceptable parameter sets, tackling the problematic of parameter equifinality. This procedure was tested for both original soil map and the newly derived soil map with differentiation of soil properties. It was noticeable that a better model set-up, with a better representation of the soil spatial distribution, was reflected in tighter model output spreads and narrower parameter distances. A further challenge was the calibration of water quality parameters, namely nitrate-N in the Dobrotvir watershed and sediment loads in the Águeda watershed. The limited amount of water quality observations were handled by assessing and by process verification at the smallest modelling unit, the hydrological response unit (HRU). The ruling hydrological processes could be depicted by combining own measured data and modelling outputs. The management scenario simulations showed the anticipated response to changes in management and reflected the rational spatial variation within the watershed reasonably well. The impacts of the different intervention options were evaluated on water balance, nitrate-N export and sediment yield at the watershed, sub-watershed and, when feasible, HRU level. This thesis covers two regional case studies with particular data limitations and specific processes of water and matter fluxes. Still, data reliability is a problem across the globe. This thesis demonstrates how relevant it is to tackle shortages of spatially differentiated soil information. The considered approaches contribute toward more reliable model predictions. Furthermore, the tested methods are transferable to other regions with differing landscape and climate conditions with similar problems of data scarcity, particularly soil spatially differentiated information.

Die Untersuchung von Klimaszenarien ergab, dass die Grundwasserneubildung in Nordostdeutschland abnehmen könnte. Um Süßgewässer zu erhalten müssen neue Strategien entwickelt werden. Im Gebiet des Lietzengrabens wird Klarwasser eingeleitet, um Feuchtgebiete und Seen zu erhalten. Diese Strategie wurde durch eine Szenarioanalyse erarbeitet, die sich auf das hydrologische iterative Modell ArcEGMO-ASM stützte. In dieser Arbeit wurde das voll integrierte Modell HydroGeoSphere genutzt, um den Fluss von Wasser an der Oberfläche und im Untergrund zu simulieren. Basierend auf dieser Simulation wurden Fließpfade und Aufenthaltszeiten abgeschätzt. Die Ergebnisse beider Modelle wurden analysiert und verglichen. Mit beiden Modellen war es möglich, die Abfluss- und Grundwasserdynamiken im Einzugsgebiet zu reproduzieren. Bei der Anwendung von HydroGeoSphere fehlten Möglichkeiten zur Berücksichtigung von z.B. Schneefall und Wehren, welche in ArcEGMO-ASM vorhanden sind. Die Kalibrierung des Modells lieferte Parameterwerte, die eine Reproduktion der Dynamiken erlaubten. Allerdings könnte HydroGeoSphere nur eingeschränkt nutzbar sein, da die Werte teils unrealistisch waren. HydroGeoSphere ermöglichte aber die Abschätzung von unterirdischen Fließpfaden und Aufenthaltszeiten. Weiter wurde der Austritt von Grundwasser in einen Bachabschnitt durch Messungen bestimmt und mit Simulationsergebnissen verglichen. Keines der Modelle war geeignet, die räumlichen Muster auf dieser Skala zu reproduzieren. Die simulierten Exfiltrationsraten wichen von den beobachteten ab. Der Vergleich von ArcEGMO-ASM und HydroGeoSphere zeigte die Vorteile und Grenzen der Modelle auf. Der Einsatz von HydroGeoSphere bei Untersuchungen von Bewirtschaftungsstrategien macht sich noch nicht bezahlt, vergleicht man den Aufwand mit den Vorteilen. Da HydroGeoSphere weiterentwickelt wird und die Rechenkapazitäten zunehmen, könnte das Modell in der nahen Zukunft in der Praxis nutzbar sein. / Analysis of climatic scenarios for North-East Germany showed that groundwater recharge could decline. In order to sustain freshwaters, new strategies must be developed. At the Lietzengraben catchment treated wastewater is discharged to sustain wetlands and lakes in the catchment. This management strategy was developed previously by scenario analysis, performed by the hydrological iterative model ArcEGMO-ASM. In this work, the fully integrated model HydroGeoSphere was used to simulate the surface and subsurface water flow in the catchment. Based on the simulation results, flow paths and residence times were estimated. The results of the simulations by both models were investigated and compared. It was possible to reproduce the catchment dynamics regarding discharge and groundwater heads reasonably well with both models. The application of HydroGeoSphere was limited due to the inability of the model to represent features like snowfall and weirs, which are represented in ArcEGMO-ASM. The calibrated parameter values enabled the model to reproduce the catchment dynamics reasonably well. HydroGeoSphere may be limited in its use since the obtained values are partially unrealistic. HydroGeoSphere allowed the approximation of subsurface flow paths and residence times. The exfiltration of groundwater to a stream reach was estimated by measurements and compared to simulation results. Both models were not able to reproduce the spatial patterns on a sub-reach scale and the calculated exfiltration rates did not match the observed rates. The comparison of ArcEGMO-ASM and HydroGeoSphere showed the advantages and limitations of both models. Comparing the overall additional effort to the benefits, however, the application of HydroGeoSphere to investigations regarding management strategies or scenario analyses may not pay off. Since HydroGeoSphere is under steady development and computational resources improve, the use of HydroGeoSphere may be applicable in the near future.