Die vorliegende Arbeit 'Abflu&szlig;entwicklung in Teileinzugsgebieten des Rheins - Simulationen f&uuml;r den Ist-Zustand und f&uuml;r Klimaszenarien' untersucht Auswirkungen m&ouml;glicher zuk&uuml;nftiger Klima&auml;nderungen auf das Abflu&szlig;geschehen in ausgew&auml;hlten, durch Mittelgebirge gepr&auml;gten Teileinzugsgebieten des Rheins: Mosel (bis Pegel Cochem); Sieg (bis Pegel Menden 1) und Main (bis Pegel Kemmern).<br><br>In einem ersten Schritt werden unter Verwendung des hydrologischen Modells HBV-D wichtige Modellprozesse entsprechend der Einzugsgebietscharakteristik parametrisiert und ein Abbild der Gebietshydrologie erzeugt, das mit Zeitreihen gemessener Tageswerte (Temperatur, Niederschlag) eine Zeitreihe der Pegeldurchfl&uuml;sse simulieren kann. Die G&uuml;te der Simulation des Ist-Zustandes (Standard-Me&szlig;zeitraum 1.1.1961-31.12.1999) ist f&uuml;r die Kalibrierungs- und Validierungszeitr&auml;ume in allen Untersuchungsgebieten gut bis sehr gut.<br>Zur Erleichterung der umfangreichen, zeitaufwendigen einzugsgebietsbezogenen Datenaufbereitung f&uuml;r das hydrologische Modell HBV-D wurde eine Arbeitsumgebung auf Basis von Programmerweiterungen des Geoinformationssystems ArcView und zus&auml;tzlichen Hilfsprogrammen entwickelt. Die Arbeitsumgebung HBV-Params enth&auml;lt eine graphische Benutzeroberfl&auml;che und r&auml;umt sowohl erfahrenen Hydrologen als auch hydrologisch geschulten Anwendern, z.B. Studenten der Vertiefungsrichtung Hydrologie, Flexibilit&auml;t und vollst&auml;ndige Kontrolle bei der Ableitung von Parameterwerten und der Editierung von Parameter- und Steuerdateien ein. Somit ist HBV-D im Gegensatz zu Vorl&auml;uferversionen mit rudiment&auml;ren Arbeitsumgebungen auch au&szlig;erhalb der Forschung f&uuml;r Lehr- und &Uuml;bungszwecke einsetzbar.<br><br>In einem zweiten Schritt werden Gebietsniederschlagssummen, Gebietstemperaturen und simulierte Mittelwerte des Durchflusses (MQ) des Ist-Zustandes mit den Zust&auml;nden zweier Klimaszenarien f&uuml;r den Szenarienzeitraum 100 Jahre sp&auml;ter (2061-2099) verglichen. Die Klimaszenarien beruhen auf simulierten Zirkulationsmustern je eines Modellaufes zweier Globaler Zirkulationsmodelle (GCM), die mit einem statistischen Regionalisierungsverfahren in Tageswertszenarien (Temperatur, Niederschlag) an Me&szlig;stationen in den Untersuchungsgebieten &uuml;berf&uuml;hrt wurden und als Eingangsdaten des hydrologischen Modells verwendet werden.<br>F&uuml;r die zweite H&auml;lfte des 21. Jahrhunderts weisen beide regionalisierten Klimaszenarien eine Zunahme der Jahresmittel der Gebietstemperatur sowie eine Zunahme der Jahressummen der Gebietsniederschl&auml;ge auf, die mit einer hohen Variabilit&auml;t einhergeht. Eine Betrachtung der saisonalen (monatlichen) &Auml;nderungsbetr&auml;ge von Temperatur, Niederschlag und mittlerem Durchflu&szlig; zwischen Szenarienzeitraum (2061-2099) und Ist-Zustand ergibt in allen Untersuchungsgebieten eine Temperaturzunahme (h&ouml;her im Sommer als im Winter) und eine generelle Zunahme der Niederschlagssummen (mit starken Schwankungen zwischen den Einzelmonaten), die bei der hydrologischen Simulation zu deutlich h&ouml;heren mittleren Durchfl&uuml;ssen von November bis M&auml;rz und leicht erh&ouml;hten mittleren Durchfl&uuml;ssen in den restlichen Monaten f&uuml;hren. Die St&auml;rke der Durchflu&szlig;erh&ouml;hung ist nach den individuellen Klimaszenarien unterschiedlich und im Sommer- bzw. Winterhalbjahr gegenl&auml;ufig ausgepr&auml;gt. Hauptursache f&uuml;r die simulierte starke Zunahme der mittleren Durchfl&uuml;sse im Winterhalbjahr ist die trotz Temperaturerh&ouml;hung der Klimaszenarien winterlich niedrige Evapotranspiration, so da&szlig; erh&ouml;hte Niederschl&auml;ge direkt in erh&ouml;hten Durchflu&szlig; transformiert werden k&ouml;nnen.<br>Der Vergleich der Untersuchungsgebiete zeigt in Einzelmonaten von West nach Ost abnehmende &Auml;nderungsbetr&auml;ge der Niederschlagssummen, die als Hinweis auf die Bedeutung der Kontinentalit&auml;tseinfl&uuml;sse auch unter ge&auml;nderten klimatischen Bedingungen in S&uuml;dwestdeutschland aufgefa&szlig;t werden k&ouml;nnten.<br>Aus den regionalisierten Klimaszenarien werden &Auml;nderungsbetr&auml;ge f&uuml;r die Modulation gemessener Zeitreihen mittels synthetischer Szenarien abgeleitet, die mit einem geringen Rechenaufwand in hydrologische Modellantworten &uuml;berf&uuml;hrt werden k&ouml;nnen. Die direkte Ableitung synthetischer Szenarien aus GCM-Ergebniswerten (bodennahe Temperatur und Gesamtniederschlag) an einzelnen GCM-Gitterpunkten erbrachte unbefriedigende Ergebnisse.<br>Ob, in welcher H&ouml;he und zeitlichen Verteilung die in den (synthetischen) Szenarien verwendeten Niederschlags- und Temperatur&auml;nderungen eintreten werden, kann nur die Zukunft zeigen. Eine Absch&auml;tzung, wie sich die Abflu&szlig;verh&auml;ltnisse und insbesondere die mittleren Durchfl&uuml;sse der Untersuchungsgebiete bei m&ouml;glichen &Auml;nderungen entwickeln w&uuml;rden, kann jedoch heute schon vorgenommen werden. <br><br>Simulationen auf Szenariogrundlagen sind ein Weg, unbekannte zuk&uuml;nftige Randbedingungen sowie regionale Auswirkungen m&ouml;glicher &Auml;nderungen des Klimasystems ausschnittsweise abzusch&auml;tzen und entsprechende Risikominderungsstrategien zu entwickeln. Jegliche Modellierung und Simulation nat&uuml;rlicher Systeme ist jedoch mit betr&auml;chtlichen Unsicherheiten verkn&uuml;pft. Vergleichsweise gro&szlig;e Unsicherheiten sind mit der zuk&uuml;nftigen Entwicklung des sozio&ouml;konomischen Systems und der Komplexit&auml;t des Klimasystems verbunden. Weiterhin haben Unsicherheiten der einzelnen Modellbausteine der Modellkette Emissionsszenarien/Gaszyklusmodelle - Globale Zirkulationsmodelle/Regionalisierung - hydrologisches Modell, die eine Kaskade der Unsicherheiten ergeben, neben Datenunsicherheiten bei der Erfassung hydrometeorologischer Me&szlig;gr&ouml;&szlig;en einen erheblichen Einflu&szlig; auf die Vertrauensw&uuml;rdigkeit der Simulationsergebnisse, die als ein dargestellter Wert eines Ergebnisbandes zu interpretieren sind.<br><br>Der Einsatz <br>(1) robuster hydrologischer Modelle, die insbesondere temperaturbeeinflu&szlig;te Prozesse ad&auml;quat beschreiben,<br>(2) die Verwendung langer Zeitreihen (wenigsten 30 Jahre) von Me&szlig;werten und<br>(3) die gleichzeitige vergleichende Betrachtung von Klimaszenarien, die auf unterschiedlichen GCMs beruhen (und wenn m&ouml;glich, verschiedene Emissionsszenarien ber&uuml;cksichtigen),<br>sollte aus Gr&uuml;nden der wissenschaftlichen Sorgfalt, aber auch der besseren Vergleichbarkeit der Ergebnisse von Regionalstudien im noch jungen Forschungsfeld der Klimafolgenforschung beachtet werden. / This thesis 'Development of runoff in subcatchments of the River Rhine - simulations of the current state and for climate change scenarios' investigates the impacts of possible future climate changes on runoff and runoff regime in selected subcatchments of the River Rhine. The regional climate in the selected subcatchments Mosel (up to gauge Cochem), Sieg (gauge Menden 1) and Main (gauge Kemmern) is affected by the middle mountain ranges.<br><br>In a first step, important model processes are parameterized according to catchment characteristics. A representation of the regional hydrology is then produced by using the hydrological model HBV-D. Based on time series of daily measurements (temperature, precipitation) at stations within the catchment, this representation can be used to realistically simulate time series of runoff and discharge. <br>In all examined areas, the quality of simulations of the calibration and validation periods for the current state (standard period of measurements 01/01/1961-12/31/1999) can be regarded as good to excellent. <br>To aid the catchment-specific, extensive and time-consuming data processing, a working environment for the hydrological model HBV-D has been developed. It is based on program extensions of the geographical information system ArcView and further programs. The working environment HBV-Params contains a graphical interface that gives both experienced hydrologists and students full control and enables them to flexibly derive parameter values and edit parameter and control files. In contrast to previous versions with only rudimentary working environments, HBV-D can therefore be utilized for research as well as for educational purposes. <br><br>In a second step, the current states of areal precipitation, areal temperature and simulated mean discharge (MQ) are compared to the corresponding states for two scenarios of future climate changes (100 years later, 2061-2099). These scenarios are based on simulated global circulations of one model run for each of two global circulation models (GCM). These global circulations are regionalized (downscaled) using a statistical approach into scenario time series of daily values (temperature, precipitation - input for the hydrological model) at control stations within the individual catchments. <br>For the second half of the 21st century, both regionalized climate change scenarios indicate increases in the mean annual areal temperature and mean annual sum of precipitation, along with a high variability of the latter. The seasonal (monthly) changes in temperature, precipitation and mean discharge between scenario state (2061-2099) and current state indicate increases in temperature (higher in summer than in winter) as well as a general increase in precipitation sums (strong fluctuations between individual months). In the hydrological simulations for all investigated catchments, this results in considerably higher mean discharges from November to March and small increases in mean discharge for the other months. The magnitude of the increases in discharge depends on the individual climate change scenario, one showing higher increases than the other during the summer half-year and vice versa for the winter half-year. The main reason for the simulated strong increase in mean discharge during winter half-year is, in spite of higher temperatures, the still relatively low evapotranspiration which allows higher precipitation to be directly transformed into higher discharges. <br>The comparison of the investigated catchments shows decreasing amounts of changes in the sum of precipitation from West to East in individual months. This indicates the importance of continentality under changed climatic conditions in Southwest Germany. <br>For the modification of measured time series (temperature, precipitation), which can be easily converted as synthetic scenarios into simulated hydrological results, amounts of change are derived from regionalized (downscaled) climate change scenarios. The derivation of synthetic scenarios directly from GCM output at individual GCM gridpoints yielded unsatisfactory results. <br>Only the future itself can show whether the timing and amount of changes in temperature and precipitation used in (synthetic) climate change scenarios come close to reality. An assessment of possible developments in runoff regime and specifically mean discharge under possible changed climatic conditions in the investigated catchments is already feasible today. <br><br>Simulations based on scenarios are one way to establish unknown future boundary conditions for the estimation of regional impacts of possible changes of the climate system. Nevertheless, all types of modeling and simulation of natural systems are linked with uncertainties. Rather large uncertainties persist regarding the future development of the socio-economic system and the complexity of the climate system and earth system. Furthermore, besides data uncertainties associated with the measurement of hydro-meteorological values, uncertainties associated with individual components of the model chain emission scenarios/gas cycle model - GCM/regionalization - hydrological model, which form a cascade of uncertainty, have a great influence on the trustworthiness of the simulation results (which are understood as one shown value within a range of results). <br><br>In the young field of climate impact research the use of <br>(1) robust hydrological models that adequately describe temperature-dependent processes,<br>(2) long time series (at least 30 years long) of measurements, <br>(3) concurrent comparisons of climate change scenarios, based on different GCMs (and, if possible, different emission scenarios)<br>should be considered for reasons of scientific thoroughness and to improve comparability of regional impact studies.

The scope of this study is to investigate the environmental change in the German part of the Elbe river basin, whereby the focus is on two water related problems: having too little water and having water of poor quality. <br><br> The Elbe region is representative of humid to semi-humid landscapes in central Europe, where water availability during the summer season is the limiting factor for plant growth and crop yields, especially in the loess areas, where the annual precipitation is lower than 500 mm. It is most likely that water quantity problems will accelerate in future, because both the observed and the projected climate trend show an increase in temperature and a decrease in annual precipitation, especially in the summer. Another problem is nutrient pollution of rivers and lakes. In the early 1990s, the Elbe was one of the most heavily polluted rivers in Europe. Even though nutrient emissions from point sources have notably decreased in the basin due to reduction of industrial sources and introduction of new and improved sewage treatment facilities, the diffuse sources of pollution are still not sufficiently controlled. <br><br> The investigations have been done using the eco-hydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model), which has been embedded in a model framework of climate and agro-economic models. A global scenario of climate and agro-economic change has been regionalized to generate transient climate forcing data and land use boundary conditions for the model. The model was used to transform the climate and land use changes into altered evapotranspiration, groundwater recharge, crop yields and river discharge, and to investigate the development of water quality in the river basin. Particular emphasis was given to assessing the significance of the impacts on the hydrology, taking into account in the analysis the inherent uncertainty of the regional climate change as well as the uncertainty in the results of the model. <br><br> The average trend of the regional climate change scenario indicates a decrease in mean annual precipitation up to 2055 of about 1.5 %, but with high uncertainty (covering the range from -15.3 % to +14.8 %), and a less uncertain increase in temperature of approximately 1.4 K. The relatively small change in precipitation in conjunction with the change in temperature leads to severe impacts on groundwater recharge and river flow. Increasing temperature induces longer vegetation periods, and the seasonality of the flow regime changes towards longer low flow spells in summer. As a results the water availability will decrease on average of the scenario simulations by approximately 15 %. The increase in temperatures will improve the growth conditions for temperature limited crops like maize. The uncertainty of the climate trend is particularly high in regions where the change is the highest. <br><br> The simulation results for the Nuthe subbasin of the Elbe indicate that retention processes in groundwater, wetlands and riparian zones have a high potential to reduce the nitrate concentrations of rivers and lakes in the basin, because they are located at the interface between catchment area and surface water bodies, where they are controlling the diffuse nutrient inputs. The relatively high retention of nitrate in the Nuthe basin is due to the long residence time of water in the subsurface (about 40 years), with good conditions for denitrification, and due to nitrate retention and plant uptake in wetlands and riparian zones. <br><br> The concluding result of the study is that the natural environment and communities in parts of Central Europe will have considerably lower water resources under scenario conditions. The water quality will improve, but due to the long residence time of water and nutrients in the subsurface, this improvement will be slower in areas where the conditions for nutrient turn-over in the subsurface are poor. / Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Auswirkungen des Globalen Wandels auf den Wasserkreislauf im deutschen Teil des Elbeeinzugsgebietes. Der Fokus liegt dabei auf Wassermengen- und Wasserqualitätsproblemen. <br><br> Die Elbe liegt im Zentrum Europas im Übergangsbereich zwischen ozeanischen und kontinentalen Klimaten, wo die Wasserverfügbarkeit in den Sommermonaten den limitierenden Faktor für das Pflanzenwachstum und die landwirtschaftlichen Erträge bildet. Dies gilt insbesondere für die Lössgebiete im Lee des Harzes, wo die jährlichen Niederschläge unter 500 mm liegen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sich die Wassermengenprobleme in Zukunft noch verstärken werden, denn sowohl das beobachtete als auch das für die Zukunft projizierte Klima in der Region zeigen höhere Temperaturen und fallende Niederschläge, besonders im Sommer. Ein weiteres Problem ist die hohe Nährstoffbelastung der Flüsse und Seen im Elbeeinzugsgebiet. Anfang der neunziger Jahre war die Elbe eine der am stärksten belasteten Flüsse in Europa. Obwohl die Einträge besonders aus Punktquellen durch den Rückgang der Industrie und den Bau von neuen Kläranlagen seitdem gefallen sind, gelangen trotzdem noch große Nährstoffmengen aus diffusen Quellen in die Gewässer. <br><br> Die Untersuchungen wurden unter Anwendung des ökohydrologischen Modells SWIM (Soil and Water Integrated Model) durchgeführt, welches über Schnittstellen mit Klimamodellen und agroökonomischen Modellen verbunden wurde. Ein globales Szenario des Klimawandels und des landwirtschaftlichen Wandels wurde regionalisiert, um so die geänderten Randbedingungen für den Szenarienzeitraum zu erhalten. Simulationen mit SWIM dienten dann dazu, die geänderten Randbedingungen in Änderungen im Wasserhaushalt und in den landwirtschaftlichen Erträgen zu transformieren. Außerdem wurde das Langzeitverhalten von Nährstoffen im Untersuchungsgebiet modelliert. Besonderer Wert wurde dabei darauf gelegt, die Unsicherheit der Szenarienergebnisse zu quantifizieren. <br><br> Der mittlere Szenarientrend zeigt eine Reduzierung der mittleren jährlichen Niederschläge bis zum Jahre 2055 um ungefähr 1.5 %, wobei die Ergebnisse mit einer großen Unsicherheit behaftet sind: die Spannweite der Niederschläge in den Szenarienrealisationen liegt zwischen -15.3 % und +14.8 %. Die Erwärmung unter Szenarienbedingungen mit ungefähr 1.4 K ist weniger unsicher. Diese relativ geringen Änderungen habe starke Auswirkungen auf den Wasserhaushalt im Elbegebiet: durch die steigenden Temperaturen wird die Vegetationszeit verlängert, und die Niedrigabflussperiode im Sommer wird sich in den Herbst ausdehnen. Insgesamt wird unter dem mittleren Szenarientrend die Wasserverfügbarkeit um ca. 15 % abnehmen. Außerdem werden sich durch die steigenden Temperaturen die Anbaubedingungen für wärmeliebende Ackerfrüchte in der Landwirtschaft verbessern. Die Unsicherheit des Klimatrends ist dort am größten, wo auch die lokalen Änderungen am größten sind. <br><br> Die Simulationsergebnisse für das Nuthe-Teileinzugsgebiet der Elbe zeigen, das Retentionsprozesse im Untergrund und in den Feucht- und Auengebieten einen starken Einfluss auf die Wasserqualität und die Nitratkonzentration der Oberflächengewässer haben, da sie durch ihre Lage im Einzugsgebiet eine Schnittstelle zwischen dem umliegenden Einzugsgebiet und den Flüssen und Seen bilden. Die relativ hohe Umsetzung von Nitrat im Einzugsgebiet der Nuthe kann dadurch erklärt werden, dass Nitrat eine relativ lange Aufenthaltszeit im Grundwasser (im Mittel 40 Jahre) mit einer hohen Nitratumsetzungsrate hat, und durch die guten Denitrifizierungsbedingungen in den Feucht- und Auengebieten. Dazu kommt noch, dass große Nitratmengen durch die Pflanzen in den Feuchtgebieten aus dem Grundwasser aufgenommen werden. <br><br> Zusammenfassend kann man sagen, das sich die Ökosysteme und die Gesellschaft im Elbeeinzugsgebiet unter Szenarienbedingungen auf niedrigere Wasserverfügbarkeit einstellen müssen. Die Wasserqualität wird sich grundsätzlich zwar weiter verbessern, aber aufgrund der langen Verweilzeit der Nährstoffe im Grundwasser wird dies insbesondere in den Teileinzugsgebieten, in denen die geochemischen Bedingungen für einen hohen Nährstoffumsatz nicht gegeben sind, noch relativ lange dauern.

Ziel der Arbeit war die Beurteilung der räumlichen Verteilung und Struktur von Feldhecken hinsichtlich ihrer Wirkung für Hochwasser- und Naturschutz, sowie die Analyse von agrarökonomischen Faktoren, welche die Anlage von Hecken fördern beziehungsweise behindern. Folgende Fragen standen bei den Untersuchungen im Mittelpunkt: Wie muss eine Hecke sowohl aus naturschutzfachlicher als auch hydrologischer Sicht aufgebaut sein, um eine optimale Wirkung zu erzielen, und wie müssen die Rahmenbedingungen für Landwirte aussehen, damit Heckenstrukturen nicht nur erhalten, sondern auch neu angelegt werden können? Um diese komplexen Fragen zu beantworten, wurden verschiedene methodische Ansätze zur Analyse ökologischer, hydrologischer und entscheidungsbildender Prozesse gewählt. Um die Ergebnisse der verschiedenen Skalenarten (ordinal / kardinal) zu vergleichen und dabei aus verschiedenen Optionen eine für alle Ziele optimale Vorzugsvariante zu ermitteln, wurde am Ende eine Nutzwertanalyse durchgeführt. / There were two main purposes of the study; the evaluation of the spatial distribution and structural patterns of hedgerows in regard to their impact on flood prevention and nature conservation, and the investigation of factors facilitating or constraining the establishment of hedgerows. On the basis of this assessment, knowledge based recommendations were developed for the facilitation of hedgerows in agricultural landscapes in mountainous areas such as the Erzgebirge. The following questions were the main focus of the investigation: how should a hedgerow be composed to obtain the optimal effect from the nature conservation as well as the flood prevention point of view, and how should the general requirements for farmers be constructed so that hedgerows are not only maintained but also newly established. To answer these complex questions different methodologies were applied for analysing ecological, hydrological and decision-forming processes. In order to compare the results and hedgerow alternatives to determine the optimal choice, a value-benefit analysis was performed.

Applications of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) are common. However, few attempts have focused on the tropics like in the Yen Bai province, Vietnam. Annual water-induced soil erosion (WSE) rates and surface runoff (SR) were estimated. The Nam Kim and Ngoi Hut watersheds were calibrated with accepted agreement between simulated and observed discharge. Correlations between precipitation, land covers, surface runoff and WSE were indicated. Although the estimated average WSE 4.1 t ha−1 year−1 (t ha−1 y−1) was moderate, some steep-bare areas were suffering serious soil loss of 26 t ha−1 y−1 and 15% of the province was calculated at the rate of 8.5 t ha−1 y−1. We found that the changes in WSE significantly correlated with land use changes. As calibrated SR matched closely with the measured data, we recommend SWAT applications for long-term soil erosion assessments in the tropics. / Những ứng dụng của mô hình công cụ đánh giá đất và nước (SWAT) đã được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên có rất ít nghiên cứu tập trung vào khu vực nhiệt đới như tỉnh Yên Bái của Việt Nam. Trong nghiên cứu này, giá trị trung bình năm (2001-2012) nước chảy bề mặt (NCM) và xói mòn đất do nước (XM) đã được đánh giá trên cơ sở mô hình SWAT. Các thông số thủy văn của hai lưu vực sông là Nậm Kim và Ngòi Hút được tính toán và kiểm nghiệm với sự trùng hợp tương đối tốt giữa kết quả mô hình và số liệu thực đo. Mối liên hệ giữa lượng mưa, phủ bề mặt, NCM và XM cũng được phân tích và trình bầy chi tiết. Mặc dù giá trị XM năm được ước lượng ở mức trung bình cho toàn Tỉnh (4,1 tấn/ha/năm) nhưng ở một số khu vực nơi có độ dốc lớn và phủ mặt ít lại có lượng XM năm ở mức cao, 26 tấn/ha/năm và 15% tổng diện tích của Tỉnh có giá trị XM là 8,5 tấn/ha/năn. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự liên hệ mật thiết giữa sự thay đổi phủ mặt tới giá trị XM. Trên cơ sở kết quả kiểm nghiệm mô hình khả quan, chúng tôi đề xuất sử dụng mô hình SWAT để đánh giá XM trong thời gian dài cho vùng nhiệt đới.

Ziel der Arbeit war die Beurteilung der räumlichen Verteilung und Struktur von Feldhecken hinsichtlich ihrer Wirkung für Hochwasser- und Naturschutz, sowie die Analyse von agrarökonomischen Faktoren, welche die Anlage von Hecken fördern beziehungsweise behindern. Folgende Fragen standen bei den Untersuchungen im Mittelpunkt: Wie muss eine Hecke sowohl aus naturschutzfachlicher als auch hydrologischer Sicht aufgebaut sein, um eine optimale Wirkung zu erzielen, und wie müssen die Rahmenbedingungen für Landwirte aussehen, damit Heckenstrukturen nicht nur erhalten, sondern auch neu angelegt werden können? Um diese komplexen Fragen zu beantworten, wurden verschiedene methodische Ansätze zur Analyse ökologischer, hydrologischer und entscheidungsbildender Prozesse gewählt. Um die Ergebnisse der verschiedenen Skalenarten (ordinal / kardinal) zu vergleichen und dabei aus verschiedenen Optionen eine für alle Ziele optimale Vorzugsvariante zu ermitteln, wurde am Ende eine Nutzwertanalyse durchgeführt. / There were two main purposes of the study; the evaluation of the spatial distribution and structural patterns of hedgerows in regard to their impact on flood prevention and nature conservation, and the investigation of factors facilitating or constraining the establishment of hedgerows. On the basis of this assessment, knowledge based recommendations were developed for the facilitation of hedgerows in agricultural landscapes in mountainous areas such as the Erzgebirge. The following questions were the main focus of the investigation: how should a hedgerow be composed to obtain the optimal effect from the nature conservation as well as the flood prevention point of view, and how should the general requirements for farmers be constructed so that hedgerows are not only maintained but also newly established. To answer these complex questions different methodologies were applied for analysing ecological, hydrological and decision-forming processes. In order to compare the results and hedgerow alternatives to determine the optimal choice, a value-benefit analysis was performed.

Applications of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) are common. However, few attempts have focused on the tropics like in the Yen Bai province, Vietnam. Annual water-induced soil erosion (WSE) rates and surface runoff (SR) were estimated. The Nam Kim and Ngoi Hut watersheds were calibrated with accepted agreement between simulated and observed discharge. Correlations between precipitation, land covers, surface runoff and WSE were indicated. Although the estimated average WSE 4.1 t ha−1 year−1 (t ha−1 y−1) was moderate, some steep-bare areas were suffering serious soil loss of 26 t ha−1 y−1 and 15% of the province was calculated at the rate of 8.5 t ha−1 y−1. We found that the changes in WSE significantly correlated with land use changes. As calibrated SR matched closely with the measured data, we recommend SWAT applications for long-term soil erosion assessments in the tropics. / Những ứng dụng của mô hình công cụ đánh giá đất và nước (SWAT) đã được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên có rất ít nghiên cứu tập trung vào khu vực nhiệt đới như tỉnh Yên Bái của Việt Nam. Trong nghiên cứu này, giá trị trung bình năm (2001-2012) nước chảy bề mặt (NCM) và xói mòn đất do nước (XM) đã được đánh giá trên cơ sở mô hình SWAT. Các thông số thủy văn của hai lưu vực sông là Nậm Kim và Ngòi Hút được tính toán và kiểm nghiệm với sự trùng hợp tương đối tốt giữa kết quả mô hình và số liệu thực đo. Mối liên hệ giữa lượng mưa, phủ bề mặt, NCM và XM cũng được phân tích và trình bầy chi tiết. Mặc dù giá trị XM năm được ước lượng ở mức trung bình cho toàn Tỉnh (4,1 tấn/ha/năm) nhưng ở một số khu vực nơi có độ dốc lớn và phủ mặt ít lại có lượng XM năm ở mức cao, 26 tấn/ha/năm và 15% tổng diện tích của Tỉnh có giá trị XM là 8,5 tấn/ha/năn. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự liên hệ mật thiết giữa sự thay đổi phủ mặt tới giá trị XM. Trên cơ sở kết quả kiểm nghiệm mô hình khả quan, chúng tôi đề xuất sử dụng mô hình SWAT để đánh giá XM trong thời gian dài cho vùng nhiệt đới.

The Penman-Monteith (PM) equation is a state-of-the-art modelling approach to simulate evapotranspiration (ET) at site and local scale. However, its practical application is often restricted by the availability and quality of required parameters. One of these parameters is the canopy conductance. Long term measurements of evapotranspiration by the eddy-covariance method provide an improved data basis to determine this parameter by inverse modelling. Because this approach may also include evaporation from the soil, not only the ‘actual’ canopy conductance but the whole surface conductance (gc) is addressed. Two full cycles of crop rotation with five different crop types (winter barley, winter rape seed, winter wheat, silage maize, and spring barley) have been continuously monitored for 10 years. These data form the basis for this study. As estimates of gc are obtained on basis of measurements, we investigated the impact of measurements uncertainties on obtained values of gc. Here, two different foci were inspected more in detail. Firstly, the effect of the energy balance closure gap (EBCG) on obtained values of gc was analysed. Secondly, the common hydrological practice to use vegetation height (hc) to determine the period of highest plant activity (i.e., times with maximum gc concerning CO2-exchange and transpiration) was critically reviewed. The results showed that hc and gc do only agree at the beginning of the growing season but increasingly differ during the rest of the growing season. Thus, the utilisation of hc as a proxy to assess maximum gc (gc,max) can lead to inaccurate estimates of gc,max which in turn can cause serious shortcomings in simulated ET. The light use efficiency (LUE) is superior to hc as a proxy to determine periods with maximum gc. Based on this proxy, crop specific estimates of gc,maxcould be determined for the first (and the second) cycle of crop rotation: winter barley, 19.2 mm s−1 (16.0 mm s−1); winter rape seed, 12.3 mm s−1 (13.1 mm s−1); winter wheat, 16.5 mm s−1 (11.2 mm s−1); silage maize, 7.4 mm s−1 (8.5 mm s−1); and spring barley, 7.0 mm s−1 (6.2 mm s−1).

This thesis describes the conception and implementation of the hydrological model ArcEGMO-URBAN and its application to the basin of the Havel river in north-eastern Germany. The model has been developed in order to make up the balance of nitrogen and phosphorus inputs from point sources in urban areas on the scale of river basins. The nutrient input can be calculated with a high spatial resolution and according to its seasonal variation. At the same time, the impact of the rainfall on the nutrient input is being focused on in this project. ArcEGMO-URBAN models rainfall-runoff processes and pollution-transport processes in urban areas taking natural, technological and social parameters into consideration. Input data are meteorological and terrestrial data with a high spatiotemporal resolution as well as statistic data on the scale of municipalities. The digitally available spatial data are being analysed with GIS functions before the actual modelling and later merged to areas with similar attributes. Technological and social parameters are assigned to these areas which were derived from statistic data. The diversity of the input data and their high spatial resolution allow for the description of relevant processes differentiated on the scale of urban patches. The model considers different urban water technologies and their determined matter fluxes as well as different sewer systems. With regard to rainfall-runoff processes the following sub-processes are considered for this model: the runoff-generation and runoff-concentration on sealed surfaces, the runoff-transformation and combination with the dry weather flow in the sewer system, and the split-up of the runoff in retention tanks and waste water treatment plants. Referring to pollution-transport processes the following sub-processes are taken into account: the atmospheric pollution and surface pollution dependent on the type of land use, and the matter transport in the sewer system. The sub-processes of matter accumulation and matter erosion on the land surface can be calculated by using mean values of pollution or, more detailed, by using special functions for processes of accumulation as well as erosion. In order to guarantee an easy application, the model's conception allows the use of input data and parameters of varying accuracy. Both, either measurements or statistical data can be used for the calculation dependent on the available data. The model is programmed in &amp;quot;C&amp;quot; and, therefore, usable on every established computer system. The model's validation succeeds for several sub-processes as well as sub catchments. Results of the model's application in the basin of the Havel river illustrate that the model calculates similar annual matter loads when compared to established other models. Furthermore, the results show the potential of the model to calculate the seasonal variation of matter loads and to calculate scenarios by using GIS based parameters. ArcEGMO-URBAN therefore is a capable tool for the identification of nutrient input from point sources on the scale of river catchments. / Diese Arbeit beschreibt die Konzeption und Realisierung des Modells ArcEGMO-URBAN sowie die Modellanwendung im Flussgebiet der Havel. ArcEGMO-URBAN wurde entwickelt um die punktuell in Gewässer eingetragenen Frachten von Gesamtstickstoff und Gesamtphosphor aus urbanen Räumen auf der Ebene von Flussgebieten zu bilanzieren. Die Nährstoffeinträge werden mit einer hohen räumlichen Auflösung und in ihrer innerjährlichen Dynamik berechnet, wobei der Einfluss des Niederschlagsgeschehens auf die Stoffeinträge besonders thematisiert wird. ArcEGMO-URBAN modelliert die Niederschlags-Abfluss- und die Schmutz-Transport-Prozesse in urbanen Räumen unter Berücksichtigung von naturräumlichen, technologischen und sozialen Parametern. Eingangsgrößen sind meteorologische und terrestrische Daten mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung sowie statistische Angaben auf Gemeindeebene. Die digital vorliegenden Flächendaten werden vor der Modellierung mittels GIS-Funktionen ausgewertet und zu Flächen mit gleichen Eigenschaften zusammengefasst. Diesen Flächen werden technologische und soziale Parameter zugeordnet, welche aus den statistischen Angaben abgeleitet wurden. Durch die hohe inhaltliche und räumliche Auflösung der Eingangsdaten können relevante Prozesse teilflächendifferenziert beschrieben werden. Es können sowohl unterschiedliche Wasserver- und -entsorgungstechnologien und die durch sie induzierten Stoffströme als auch unterschiedliche Kanalisationsverfahren berücksichtigt werden. Bezogen auf den Niederschlags-Abfluss-Prozess werden die Abflussbildung und Abflusskonzentration auf befestigten Flächen, die Abflusstransformation und Überlagerung mit dem Trockenwetterabfluss im Kanalnetz und die Abflussaufteilung an Sonderbauwerken bzw. Kläranlagen berechnet. Für die Berücksichtigung der Stoff-Transport-Prozesse werden die durch die Atmosphäre und spezifische Nutzungen bedingten Stoffeinträge sowie der durch die Kanalisation bestimmte Stofftransport berechnet. Die auf der Oberfläche stattfindenden Teilprozesse von Stoffakkumulation und -abtrag können über mittlere Verschmutzungswerte oder detailliert über Akkumulations- und Abtragsfunktionen berechnet werden. Um ein weites Anwendungsspektrum zu gewährleisten, ist das Modell so konzipiert, dass eine Parametrisierung mit Eingangsdaten unterschiedlicher Qualität möglich ist. Abhängig von der verfügbaren Datenbasis werden entweder konkrete Messwerte oder statistische Größen verwendet. Das Programm ist in &amp;quot;C&amp;quot; programmiert und damit auf jeder Rechnerarchitektur lauffähig. Die Validierung des Modells gelingt für einzelne Teilprozesse aber auch für Teilgebiete gut. Die Ergebnisse im Flussgebiet der Havel belegen, dass das Modell ähnliche jährliche Nährstofffrachten wie bereits eingeführte Modelle berechnet. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse das Potenzial des Modells, die innerjährliche Dynamik punktueller Stoffeinträge abzubilden und durch die GIS-gestützte Parametrisierung aufwandsarm Szenarien zu berechnen. Damit ist ArcEGMO-URBAN ein geeignetes Modell zur Bestimmung von Nährstoffeinträgen aus punktuellen Quellen auf der Ebene von Flussgebieten.

Extensive deforestations, particularly in the (sub)tropics, have led to intense soil degradation and erosion with concomitant reduction in soil fertility. Reforestations or plantations on those degraded sites may provide effective measures to mitigate further soil degradation and erosion, and can lead to improved soil quality. However, a change in land use from, e.g., grassland to forest may have a crucial impact on water balance. This may affect water availability even under humid tropical climate conditions where water is normally not a limiting factor. In this context, it should also be considered that according to climate change projections rainfall may decrease in some of these regions. To mitigate climate change related problems (e.g. increases in erosion and drought), reforestations are often carried out. Unfortunately, those measures are seldom completely successful, because the environmental conditions and the plant specific requirements are not appropriately taken into account. This is often due to data-scarcity and limited financial resources in tropical regions. For this reason, innovative approaches are required that are able to measure environmental conditions quasi-continuously in a cost-effective manner. Simultaneously, reforestation measures should be accompanied by monitoring in order to evaluate reforestation success and to mitigate, or at least to reduce, potential problems associated with reforestation (e.g. water scarcity). To avoid reforestation failure and negative implications on ecosystem services, it is crucial to get insights into the water balance of the actual ecosystem, and potential changes resulting from reforestation. The identification and prediction of water balance changes as a result of reforestation under climate change requires the consideration of the complex feedback system of processes in the soil-vegetation-atmosphere continuum. Models that account for those feedback system are Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer (SVAT) models. For the before-mentioned reasons, this study targeted two main objectives: (i) to develop and test a method combination for site evaluation under data scarcity (i.e. study requirements) (Part I) and (ii) to investigate the consequences of prediction uncertainty of the SVAT model input parameters, which were derived using geophysical methods, on SVAT modeling (Part II). A water balance modeling approach was set at the center of the site evaluation approach. This study used the one-dimensional CoupModel, which is a SVAT model. CoupModel requires detailed spatial soil information for (i) model parameterization, (ii) upscaling of model results and accounting for local to regional-scale soil heterogeneity, and (iii) monitoring of changes in soil properties and plant characteristics over time. Since traditional approaches to soil and vegetation sampling and monitoring are time consuming and expensive (and therefore often limited to point information), geophysical methods were used to overcome this spatial limitation. For this reason, vis-NIR spectroscopy (visible to near-infrared wavelength range) was applied for the measurement of soil properties (physical and chemical), and remote sensing to derive vegetation characteristics (i.e. leaf area index (LAI)). Since the estimated soil properties (mainly texture) could be used to parameterize a SVAT model, this study investigated the whole processing chain and related prediction uncertainty of soil texture and LAI, and their impact on CoupModel water balance prediction uncertainty. A greenhouse experiment with bamboo plants was carried out to determine plant-physiological characteristics needed for CoupModel parameterization. Geoelectrics was used to investigate soil layering, with the intent of determining site-representative soil profiles for model parameterization. Soil structure was investigated using image analysis techniques that allow the quantitative assessment and comparability of structural features. In order to meet the requirements of the selected study approach, the developed methodology was applied and tested for a site in NE-Brazil (which has low data availability) with a bamboo plantation as the test site and a secondary forest as the reference (reference site). Nevertheless, the objective of the thesis was not the concrete modeling of the case study site, but rather the evaluation of the suitability of the selected methods to evaluate sites for reforestations and to monitor their influence on the water balance as well as soil properties. The results (Part III) highlight that one needs to be aware of the measurement uncertainty related to SVAT model input parameters, so for instance the uncertainty of model input parameters such as soil texture and leaf area index influences meaningfully the simulated model water balance output. Furthermore, this work indicates that vis-NIR spectroscopy is a fast and cost-efficient method for soil measurement, mapping, and monitoring of soil physical (texture) and chemical (N, TOC, TIC, TC) properties, where the quality of soil prediction depends on the instrument (e.g. sensor resolution), the sample properties (i.e. chemistry), and the site characteristics (i.e. climate). Additionally, also the sensitivity of the CoupModel with respect to texture prediction uncertainty with respect to surface runoff, transpiration, evaporation, evapotranspiration, and soil water content depends on site conditions (i.e. climate and soil type). For this reason, it is recommended that SVAT model sensitivity analysis be carried out prior to field spectroscopic measurements to account for site specific climate and soil conditions. Nevertheless, mapping of the soil properties estimated via spectroscopy using kriging resulted in poor interpolation (i.e. weak variograms) results as a consequence of a summation of uncertainty arising from the method of field measurement to mapping (i.e. spectroscopic soil prediction, kriging error) and site-specific ‘small-scale’ heterogeneity. The selected soil evaluation method (vis-NIR spectroscopy, structure comparison using image analysis, traditional laboratory analysis) showed that there are significant differences between the bamboo soil and the adjacent secondary forest soil established on the same soil type (Vertisol). Reflecting on the major study results, it can be stated that the selected method combination is a way forward to a more detailed and efficient way to evaluate the suitability of a specific site for reforestation. The results of this study provide insights into where and when during soil and vegetation measurements a high measurement accuracy is required to minimize uncertainties in SVAT modeling. / Umfangreiche Abholzungen, besonders in den (Sub-)Tropen, habe zu intensiver Bodendegradierung und Erosion mit einhergehendem Verlust der Bodenfruchtbarkeit geführt. Eine wirksame Maßnahme zur Vermeidung fortschreitender Bodendegradierung und Erosion sind Aufforstungen auf diesen Flächen, die bisweilen zu einer verbesserten Bodenqualität führen können. Eine Umwandlung von Grünland zu Wald kann jedoch einen entscheidenden Einfluss auf den Wasserhaushalt haben. Selbst unter humid-tropischen Klimabedingungen, wo Wasser in der Regel kein begrenzender Faktor ist, können sich Aufforstungen negativ auf die Wasserverfügbarkeit auswirken. In diesem Zusammenhang muss auch berücksichtigt werden, dass Klimamodelle eine Abnahme der Niederschläge in einigen dieser Regionen prognostizieren. Um die Probleme, die mit dem Klimawandel in Verbindung stehen zu mildern (z.B. Zunahme von Erosion und Dürreperioden), wurden und werden bereits umfangreiche Aufforstungsmaßnahmen durchgeführt. Viele dieser Maßnahmen waren nicht immer umfassend erfolgreich, weil die Umgebungsbedingungen sowie die pflanzenspezifischen Anforderungen nicht angemessen berücksichtigt wurden. Dies liegt häufig an der schlechten Datengrundlage sowie an den in vielen Entwicklungs- und Schwellenländern begrenzter verfügbarer finanzieller Mittel. Aus diesem Grund werden innovative Ansätze benötigt, die in der Lage sind quasi-kontinuierlich und kostengünstig die Standortbedingungen zu erfassen und zu bewerten. Gleichzeitig sollte eine Überwachung der Wiederaufforstungsmaßnahme erfolgen, um deren Erfolg zu bewerten und potentielle negative Effekte (z.B. Wasserknappheit) zu erkennen und diesen entgegenzuwirken bzw. reduzieren zu können. Um zu vermeiden, dass Wiederaufforstungen fehlschlagen oder negative Auswirkungen auf die Ökosystemdienstleistungen haben, ist es entscheidend, Kenntnisse vom tatsächlichen Wasserhaushalt des Ökosystems zu erhalten und Änderungen des Wasserhaushalts durch Wiederaufforstungen vorhersagen zu können. Die Ermittlung und Vorhersage von Wasserhaushaltsänderungen infolge einer Aufforstung unter Berücksichtigung des Klimawandels erfordert die Berücksichtigung komplex-verzahnter Rückkopplungsprozesse im Boden-Vegetations-Atmosphären Kontinuum. Hydrologische Modelle, die explizit den Einfluss der Vegetation auf den Wasserhaushalt untersuchen sind Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer (SVAT) Modelle. Die vorliegende Studie verfolgte zwei Hauptziele: (i) die Entwicklung und Erprobung einer Methodenkombination zur Standortbewertung unter Datenknappheit (d.h. Grundanforderung des Ansatzes) (Teil I) und (ii) die Untersuchung des Einflusses der mit geophysikalischen Methoden vorhergesagten SVAT-Modeleingangsparameter (d.h. Vorhersageunsicherheiten) auf die Modellierung (Teil II). Eine Wasserhaushaltsmodellierung wurde in den Mittelpunkt der Methodenkombination gesetzt. In dieser Studie wurde das 1D SVAT Model CoupModel verwendet. CoupModel benötigen detaillierte räumliche Bodeninformationen (i) zur Modellparametrisierung, (ii) zum Hochskalierung von Modellergebnissen unter Berücksichtigung lokaler und regionaler Bodenheterogenität, und (iii) zur Beobachtung (Monitoring) der zeitlichen Veränderungen des Bodens und der Vegetation. Traditionelle Ansätze zur Messung von Boden- und Vegetationseigenschaften und deren Monitoring sind jedoch zeitaufwendig, teuer und beschränken sich daher oft auf Punktinformationen. Ein vielversprechender Ansatz zur Überwindung der räumlichen Einschränkung sind die Nutzung geophysikalischer Methoden. Aus diesem Grund wurden vis-NIR Spektroskopie (sichtbarer bis nah-infraroter Wellenlängenbereich) zur quasi-kontinuierlichen Messung von physikalischer und chemischer Bodeneigenschaften und Satelliten-basierte Fernerkundung zur Ableitung von Vegetationscharakteristika (d.h. Blattflächenindex (BFI)) eingesetzt. Da die mit geophysikalisch hergeleiteten Bodenparameter (hier Bodenart) und Pflanzenparameter zur Parametrisierung eines SVAT Models verwendet werden können, wurde die gesamte Prozessierungskette und die damit verbundenen Unsicherheiten und deren potentiellen Auswirkungen auf die Wasserhaushaltsmodellierung mit CoupModel untersucht. Ein Gewächshausexperiment mit Bambuspflanzen wurde durchgeführt, um die zur CoupModel Parametrisierung notwendigen pflanzenphysio- logischen Parameter zu bestimmen. Geoelektrik wurde eingesetzt, um die Bodenschichtung der Untersuchungsfläche zu untersuchen und ein repräsentatives Bodenprofil zur Modellierung zu definieren. Die Bodenstruktur wurde unter Verwendung einer Bildanalysetechnik ausgewertet, die die qualitativen Bewertung und Vergleichbarkeit struktureller Merkmale ermöglicht. Um den Anforderungen des gewählten Standortbewertungsansatzes gerecht zu werden, wurde die Methodik auf einem Standort mit einer Bambusplantage und einem Sekundärregenwald (als Referenzfläche) in NO-Brasilien (d.h. geringe Datenverfügbarkeit) entwickelt und getestet. Das Ziel dieser Arbeit war jedoch nicht die Modellierung dieses konkreten Standortes, sondern die Bewertung der Eignung des gewählten Methodenansatzes zur Standortbewertung für Aufforstungen und deren zeitliche Beobachtung, als auch die Bewertung des Einfluss von Aufforstungen auf den Wasserhaushalt und die Bodenqualität. Die Ergebnisse (Teil III) verdeutlichen, dass es notwendig ist, sich den potentiellen Einfluss der Messunsicherheiten der SVAT Modelleingangsparameter auf die Modellierung bewusst zu sein. Beispielsweise zeigte sich, dass die Vorhersageunsicherheiten der Bodentextur und des BFI einen bedeutenden Einfluss auf die Wasserhaushaltsmodellierung mit CoupModel hatte. Die Arbeit zeigt weiterhin, dass vis-NIR Spektroskopie zur schnellen und kostengünstigen Messung, Kartierung und Überwachung boden-physikalischer (Bodenart) und -chemischer (N, TOC, TIC, TC) Eigenschaften geeignet ist. Die Qualität der Bodenvorhersage hängt vom Instrument (z.B. Sensorauflösung), den Probeneigenschaften (z.B. chemische Zusammensetzung) und den Standortmerkmalen (z.B. Klima) ab. Die Sensitivitätsanalyse mit CoupModel zeigte, dass der Einfluss der spektralen Bodenartvorhersageunsicherheiten auf den mit CoupModel simulierten Oberflächenabfluss, Evaporation, Transpiration und Evapotranspiration ebenfalls von den Standortbedingungen (z.B. Klima, Bodentyp) abhängt. Aus diesem Grund wird empfohlen eine SVAT Model Sensitivitätsanalyse vor der spektroskopischen Feldmessung von Bodenparametern durchzuführen, um die Standort-spezifischen Boden- und Klimabedingungen angemessen zu berücksichtigen. Die Anfertigung einer Bodenkarte unter Verwendung von Kriging führte zu schlechten Interpolationsergebnissen in Folge der Aufsummierung von Mess- und Schätzunsicherheiten (d.h. bei spektroskopischer Feldmessung, Kriging-Fehler) und der kleinskaligen Bodenheterogenität. Anhand des gewählten Bodenbewertungsansatzes (vis-NIR Spektroskopie, Strukturvergleich mit Bildanalysetechnik, traditionelle Laboranalysen) konnte gezeigt werden, dass es bei gleichem Bodentyp (Vertisol) signifikante Unterschiede zwischen den Böden unter Bambus und Sekundärwald gibt. Anhand der wichtigsten Ergebnisse kann festgehalten werden, dass die gewählte Methodenkombination zur detailreicheren und effizienteren Standortuntersuchung und -bewertung für Aufforstungen beitragen kann. Die Ergebnisse dieser Studie geben einen Einblick darauf, wo und wann bei Boden- und Vegetationsmessungen eine besonders hohe Messgenauigkeit erforderlich ist, um Unsicherheiten bei der SVAT Modellierung zu minimieren. / Extensos desmatamentos que estão sendo feitos especialmente nos trópicos e sub-trópicos resultam em uma intensa degradação do solo e num aumento da erosão gerando assim uma redução na sua fertilidade. Reflorestamentos ou plantações nestas áreas degradadas podem ser medidas eficazes para atenuar esses problemas e levar a uma melhoria da qualidade do mesmo. No entanto, uma mudança no uso da terra, por exemplo de pastagem para floresta pode ter um impacto crucial no balanço hídrico e isso pode afetar a disponibilidade de água, mesmo sob condições de clima tropical úmido, onde a água normalmente não é um fator limitante. Devemos levar também em consideração que de acordo com projeções de mudanças climáticas, as precipitações em algumas dessas regiões também diminuirão agravando assim, ainda mais o quadro apresentado. Para mitigar esses problemas relacionados com as alterações climáticas, reflorestamentos são frequentemente realizados mas raramente são bem-sucedidos, pois condições ambientais como os requisitos específicos de cada espécie de planta, não são devidamente levados em consideração. Isso é muitas vezes devido, não só pela falta de dados, como também por recursos financeiros limitados, que são problemas comuns em regiões tropicais. Por esses motivos, são necessárias abordagens inovadoras que devam ser capazes de medir as condições ambientais quase continuamente e de maneira rentável. Simultaneamente com o reflorestamento, deve ser feita uma monitoração a fim de avaliar o sucesso da atividade e para prevenir, ou pelo menos, reduzir os problemas potenciais associados com o mesmo (por exemplo, a escassez de água). Para se evitar falhas e reduzir implicações negativas sobre os ecossistemas, é crucial obter percepções sobre o real balanço hídrico e as mudanças que seriam geradas por esse reflorestamento. Por este motivo, esta tese teve como objetivo desenvolver e testar uma combinação de métodos para avaliação de áreas adequadas para reflorestamento. Com esse intuito, foi colocada no centro da abordagem de avaliação a modelagem do balanço hídrico local, que permite a identificação e estimação de possíveis alterações causadas pelo reflorestamento sob mudança climática considerando o sistema complexo de realimentação e a interação de processos do continuum solo-vegetação-atmosfera. Esses modelos hidrológicos que investigam explicitamente a influência da vegetação no equilíbrio da água são conhecidos como modelos Solo-Vegetação-Atmosfera (SVAT). Esta pesquisa focou em dois objetivos principais: (i) desenvolvimento e teste de uma combinação de métodos para avaliação de áreas que sofrem com a escassez de dados (pré-requisito do estudo) (Parte I), e (ii) a investigação das consequências da incerteza nos parâmetros de entrada do modelo SVAT, provenientes de dados geofísicos, para modelagem hídrica (Parte II). A fim de satisfazer esses objetivos, o estudo foi feito no nordeste brasileiro,por representar uma área de grande escassez de dados, utilizando como base uma plantação de bambu e uma área de floresta secundária. Uma modelagem do balanço hídrico foi disposta no centro da metodologia para a avaliação de áreas. Este estudo utilizou o CoupModel que é um modelo SVAT unidimensional e que requer informações espaciais detalhadas do solo para (i) a parametrização do modelo, (ii) aumento da escala dos resultados da modelagem, considerando a heterogeneidade do solo de escala local para regional e (iii) o monitoramento de mudanças nas propriedades do solo e características da vegetação ao longo do tempo. Entretanto, as abordagens tradicionais para amostragem de solo e de vegetação e o monitoramento são demorados e caros e portanto muitas vezes limitadas a informações pontuais. Por esta razão, métodos geofísicos como a espectroscopia visível e infravermelho próximo (vis-NIR) e sensoriamento remoto foram utilizados respectivamente para a medição de propriedades físicas e químicas do solo e para derivar as características da vegetação baseado no índice da área foliar (IAF). Como as propriedades estimadas de solo (principalmente a textura) poderiam ser usadas para parametrizar um modelo SVAT, este estudo investigou toda a cadeia de processamento e as incertezas de previsão relacionadas à textura de solo e ao IAF. Além disso explorou o impacto destas incertezas criadas sobre a previsão do balanço hídrico simulado por CoupModel. O método geoelétrico foi aplicado para investigar a estratificação do solo visando a determinação de um perfil representante. Já a sua estrutura foi explorada usando uma técnica de análise de imagens que permitiu a avaliação quantitativa e a comparabilidade dos aspectos estruturais. Um experimento realizado em uma estufa com plantas de bambu (Bambusa vulgaris) foi criado a fim de determinar as caraterísticas fisiológicas desta espécie que posteriormente seriam utilizadas como parâmetros para o CoupModel. Os resultados do estudo (Parte III) destacam que é preciso estar consciente das incertezas relacionadas à medição de parâmetros de entrada do modelo SVAT. A incerteza presente em alguns parâmetros de entrada como por exemplo, textura de solo e o IAF influencia significantemente a modelagem do balanço hídrico. Mesmo assim, esta pesquisa indica que vis-NIR espectroscopia é um método rápido e economicamente viável para medir, mapear e monitorar as propriedades físicas (textura) e químicas (N, TOC, TIC, TC) do solo. A precisão da previsão dessas propriedades depende do tipo de instrumento (por exemplo da resolução do sensor), da propriedade da amostra (a composição química por exemplo) e das características das condições climáticas da área. Os resultados apontam também que a sensitividade do CoupModel à incerteza da previsão da textura de solo em respeito ao escoamento superficial, transpiração, evaporação, evapotranspiração e ao conteúdo de água no solo depende das condições gerais da área (por exemplo condições climáticas e tipo de solo). Por isso, é recomendado realizar uma análise de sensitividade do modelo SVAT prior a medição espectral do solo no campo, para poder considerar adequadamente as condições especificas do área em relação ao clima e ao solo. Além disso, o mapeamento de propriedades de solo previstas pela espectroscopia usando o kriging, resultou em interpolações de baixa qualidade (variogramas fracos) como consequência da acumulação de incertezas surgidas desde a medição no campo até o seu mapeamento (ou seja, previsão do solo via espectroscopia, erro do kriging) e heterogeneidade especifica de uma pequena escala. Osmétodos selecionados para avaliação das áreas (vis-NIR espectroscopia, comparação da estrutura de solo por meio de análise de imagens, análise de laboratório tradicionais) revelou a existência de diferenças significativas entre o solo sob bambu e o sob floresta secundária, apesar de ambas terem sido estabelecidas no mesmo tipo de solo (vertissolo). Refletindo sobre os principais resultados do estudo, pode-se afirmar que a combinação dos métodos escolhidos e aplicados representam uma forma mais detalhada e eficaz de avaliar se uma determinada área é adequada para ser reflorestada. Os resultados apresentados fornecem percepções sobre onde e quando, durante a medição do solo e da vegetação, é necessário se ter uma precisão mais alta a fim de minimizar incertezas potenciais na modelagem com o modelo SVAT.

The Penman-Monteith (PM) equation is a state-of-the-art modelling approach to simulate evapotranspiration (ET) at site and local scale. However, its practical application is often restricted by the availability and quality of required parameters. One of these parameters is the canopy conductance. Long term measurements of evapotranspiration by the eddy-covariance method provide an improved data basis to determine this parameter by inverse modelling. Because this approach may also include evaporation from the soil, not only the ‘actual’ canopy conductance but the whole surface conductance (gc) is addressed. Two full cycles of crop rotation with five different crop types (winter barley, winter rape seed, winter wheat, silage maize, and spring barley) have been continuously monitored for 10 years. These data form the basis for this study. As estimates of gc are obtained on basis of measurements, we investigated the impact of measurements uncertainties on obtained values of gc. Here, two different foci were inspected more in detail. Firstly, the effect of the energy balance closure gap (EBCG) on obtained values of gc was analysed. Secondly, the common hydrological practice to use vegetation height (hc) to determine the period of highest plant activity (i.e., times with maximum gc concerning CO2-exchange and transpiration) was critically reviewed. The results showed that hc and gc do only agree at the beginning of the growing season but increasingly differ during the rest of the growing season. Thus, the utilisation of hc as a proxy to assess maximum gc (gc,max) can lead to inaccurate estimates of gc,max which in turn can cause serious shortcomings in simulated ET. The light use efficiency (LUE) is superior to hc as a proxy to determine periods with maximum gc. Based on this proxy, crop specific estimates of gc,maxcould be determined for the first (and the second) cycle of crop rotation: winter barley, 19.2 mm s−1 (16.0 mm s−1); winter rape seed, 12.3 mm s−1 (13.1 mm s−1); winter wheat, 16.5 mm s−1 (11.2 mm s−1); silage maize, 7.4 mm s−1 (8.5 mm s−1); and spring barley, 7.0 mm s−1 (6.2 mm s−1).