Arsenic (As) and nitrate (NO3) are common contaminants in groundwater that are introduced through a variety of natural and anthropogenic sources. In this study we investigated the sources and distribution of As and NO3 in Goshen Valley, Utah, USA. Goshen Valley is a semi-arid alluvial basin that is impacted by geothermal waters, agriculture, urban development, and legacy mining. In this study we sampled surface water, springs, and wells to analyze concentrations of major ions, trace elements (As, B, Ba, Ca, Fe, K, Li, Mg, Mn, Mo, Pb, Si, Sr, Zn), and stable isotopes in water (δ18O and δD). A subset of samples were also analyzed for 87Sr/86Sr, δ34S, and tritium (3H). Major ion concentrations showed high spatial variability ranging from freshwater to brines, with the highest concentrations found in springs discharging from playa sediments. Likewise, the highest trace element concentrations, including As, were found in the playa-impacted springs. Elevated NO3 concentrations were found in springs and wells in agricultural areas of the valley. δ18O and δD values range from -0.90238 to -17.6 and -37.0891 to -134.5 respectively and represent that the valley contains old groundwater, evaporative surface water, and mixed water signatures in multiple wells. Tritium values range from 0.5 to 7.8 and further show the diversity of water in the valley by indicating old, young, and mixtures of old and young waters. Variations in 87Sr/86Sr were used to evaluate flowpaths of waters with elevated As. 87Sr/86Sr ratios suggest that the groundwater has interacted with a mixture of lithologic units including Tertiary volcanics, Paleozoic carbonates, and Quaternary alluvial/lacustrine fill. Correlations with As and playa affected springs indicate playa sediments as a major As source. The As found in wells has no apparent elemental correlations or spatial patterns and is likely due to the naturally occurring As in the valley alluvium and carbonate units. NO3 in the valley is concentrated in agricultural areas and is likely due to fertilizers, livestock, and alfalfa crops. Of all the potential contaminant sources, the data suggests that the major source of As is the saline playa soils and the major source of NO3 is agricultural activities in the valley.

This dissertation analyzed the effect of biologic and hydrologic processes on water quality in urban, semi-arid watersheds. In the first chapter, we analyzed bacterioplankton and water quality along elevation and urbanization gradients in three Wasatch Mountain watersheds across three seasons. We found that trace metals correlated with bacterioplankton composition and that the typical dispersal of bacteria from headwater sources (soil or groundwater) along the longitudinal pathway was drastically disrupted by the presence of large reservoirs. In the second chapter, we used high-frequency sensor data collected in streams above and below the urban center in the three watersheds to estimate the relative contribution of biologic, hydrologic, and anthropogenic processes to changes in nitrate concentration. In-stream metabolism correlated with less than 38% of diel fluctuations in nitrate, but diel nitrate concentration only represented 10% of the total nitrate variability, demonstrating how in-stream uptake can easily be overwhelmed by nutrient loading in even moderately modified watersheds. A majority of the nitrate was associated with hydrologic variables, specifically discharge and specific conductivity, with pulses of nitrate corresponding to anthropogenic activity that far exceeded the capability of the system to remove or process the nitrogen. In the third chapter, we used citizen science to collect synoptic solute data to analyze the catchment hydrology in one of the Wasatch watersheds (Provo River and Utah Lake). Unlike previous research from humid and temperate catchments, we did not observe a systematic decrease in spatial variability with watershed size in this semi-arid, endorheic basin. Our results demonstrate the value of combining participatory science with modern ecohydrological methods to determine catchment chemistry and hydrology. This dissertation shows how hydrology, and anthrophenic changes to watersheds that affect hydrology, are largely responsible for determining water quality in urbanizing, semi-arid watersheds.

The combined effect of land-use alterations and introduced diffuse anthropogenic pollutants to the earth's surface in suburban/urban zones often sparks a decrease in stormwater quality in the area, and contributes to nonpoint source pollution in receiving waters. The ponds at the Utah Botanical Center (UBC) located in Kaysville, UT, regularly experience algal blooms, which in turn cause low dissolved oxygen levels in the waters, indicating high concentrations of inflowing pollutants. The goal of this thesis paper was to describe the findings from the water quality monitoring implemented at both the inlet and outlet of the UBC ponds in order to assess pollutant loading to the ponds. A survey was mailed to the homeowners in the drainage area with the intention of gaining a baseline understanding of residents' perceptions of stormwater issues, and their lawn care practices that might influence stormwater quality. Results from the weekly monitoring found that the TN, TP and TSS levels were all below respective medians reported for urban areas around the United States. Baseflow separation calculations revealed that 47% of inflow was due to precipitation falling onto the watershed and therefore 53% of inflow was a product of non-stormflow. With only 47% of the inflow coming from local runoff, potential effectiveness of educational efforts was considered minimal. Survey results reported that 86% of respondents had never received educational materials regarding stormwater. Second, fertilizer is used by 92.3% of respondents and in most cases, homeowners perform more than one application per year. Of the respondents, 98.1% of them believed that individual residents had an impact (positive or negative) on the quality of water resources in the area. No significant association was found between the education component of the survey and whether participants undertook certain stormwater-related behaviors.

A project involving shrub removal was undertaken by the United States Forest Service in the Spring Mountains National Recreation Area (SMNRA) to reduce accumulated woody fuels, which can pose risks to human communities. This research focuses on the interactions between shrubs and the perennial forb Palmer's penstemon (Penstemon palmeri), one of many nectar sources for the endemic Spring Mountains Acastus Checkerspot Butterfly (Chlosyne acastus ssp robusta). Initial observations revealed that P. palmeri (`penstemon') seemed to grow almost exclusively under shrubs. Such spatial associations are often indicative of a history of positive interactions between plants, and led to the research presented here. These studies investigate and discuss the interactions between this penstemon and shrubs in the arid shrublands of the SMNRA. Spatial patterns between populations of penstemon and shrubs were measured during November 2008-May 2011, and the consequences of shrub-association for individual penstemon emergence, survival, growth, and reproduction were documented (Chapter 2). The results suggest that although shrubs reduced penstemon emergence, they increased seedling survival (a seed-seedling conflict) resulting in a strong shift toward association between shrubs and penstemon over time. Further, while no differences in growth were detected between microhabitats, the results suggest that shrubs inhibited P. palmeri flowering but improved the successful maturation of fruits when flowering occurred. The mechanisms driving these patterns were elusive, but seed-sowing and seedling transplant experiments suggested that shrub soils, rather than their canopies, alter the nature of seed-seedling conflicts in a way that may promote seed-bank persistence in penstemon populations (Chapter 3). To provide a detailed description of the reproductive response of penstemon to shrubs, structural equation modeling was used to describe the importance of shrubs for penstemon seed production (Chapter 4). The results suggest that competition with shrubs reduced penstemon seed production, but that shrubs simultaneously facilitated penstemon water balance and altered the foraging behavior of its pollinators, indirectly increasing seed production. I conclude by discussing the importance of these studies, and studies of plant interactions in general, for helping land managers balance the objectives of fuel load reduction with protecting desirable species (Chapter 5).

De nombreux projets de protection et de reforestation sont mis en place à l'échelle internationale pour enrayer la déforestation croissante. L'objectif de ce travail de thèse est de mieux caractériser les contraintes et les opportunités de projets de reboisement, pour les régions tropicales semi-arides, particulièrement vulnérables, dans le contexte duchangement climatique global. La revue de littérature (chapitre 1) confirme que les projets de reforestation ayant vocation à atténuer le réchauffement climatique ont plus de chances de réussite sous les latitudes tropicales, où les différents effets de la végétation sur le climat convergent dans ce sens. Entreprise pour satisfaire divers services écosystémiques, la reforestation dans les zones tropicales semi-arides est ainsi porteuse d'effets bénéfiques tant globalement que localement. Cependant, dans ce contexte très limité en eau, l'implantation d'un couvert arboré trop dense pourrait avoir des effets opposés à ceux recherchés à long terme. Dans le chapitre 2, une approche «bioclimatique » est appliquée à un ensemble multi-modèle de projections, pour suivre l'évolution du domaine tropicalsemi-aride global sous l'effet de plusieurs scénarios (RCP) de changement climatique. Ce domaine se maintient en majeure partie dans les conditions futures. Une certaine proportion évolue toutefois vers des conditions soit plus arides (jusqu'à +25% du domaine global) soit plus humides (jusqu'à 11%). Malgré cela, le domaine étudié s'accroît entre ledébut et la fin du 21e siècle, jusqu'à 13% en moyenne (RCP 8.5). Ceci résulte d'un élargissement progressif en-dehors de la ceinture tropicale, corrélé avec le réchauffement global, et cohérent avec l'hypothèse d'un élargissement de la circulation de Hadley. La méthodologie proposée au chapitre 3 a pour objectif d'analyser les implications de cetteévolution sur le potentiel climatique de maintien d'un couvert arboré. L'utilisation d'un modèle global de végétation (ORCHIDEE, développé à l'IPSL) pour simuler ce potentiel permet de prendre en compte de manière mécaniste les facteurs climatiques de la croissance des plantes. Une typologie des profils de résultats délimite des sous-régionscaractérisées chacune par une relation distincte du développement des arbres à la densité du couvert. Les cinq "régimes" de la typologie sont ainsi classés du plus défavorable (régime 1) au plus favorable (régime 5). L'expérience de référence est réalisée à partir de données d'observation (CRU). Le régime 1, caractérisé par l'absence de maintiend'un couvert pour les plus hautes densités arborées, occupe près de la moitié du domaine étudié. Le second régime le plus représenté est le régime 4 (28% du domaine). Plus favorable, il est défini par un développement des arbres élevé, sans être maximal, pour toutes les densités arborées. Le potentiel arboré de chaque régime est caractérisé par sonoptimum : fraction arborée réalisant le meilleur compromis entre productivité du peuplement et développement des arbres. L'application de cette méthodologie à des projections climatiques futures, pour le RCP 8.5, fait l'objet du chapitre 4. Le modèle ORCHIDEE est forcé avec des sorties de modèles de climat, pour le début et la fin du 21esiècle. A la fin du siècle, le régime 1 ne représente plus que 25% du domaine total, en moyenne, tandis que le régime 4 devient prépondérant (49% du domaine). La stabilité du potentiel arboré intrinsèque à chaque régime permet d'interpréter une évolution vers un régime plus ou moins favorable comme une augmentation ou une diminution de cepotentiel. Or celui ne subit pas la diminution générale que l'augmentation de l'aridité laissait présager. Une expérience complémentaire montre que la raison en tient principalement à l'effet de fertilisation du CO2 atmosphérique. L'interprétation de ces résultats montre ainsi que les zones du domaine tropical semi-aride dans lesquelles unereforestation serait à déconseiller sont assez peu étendues. / In the face of evergrowing global deforestation, numerous forest protection and restoration projects have been deployed at the international scale. The goal of this thesis is to provide adaptation planning in the vulnerable tropical semi-arid regions with scientific material about reforestation project constraints and opportunities at the global scale, inthe context of climate change. The literature review (chapter 1) confirms that reforestation projects aimed at warmingmitigation hold a better chance of success under tropical lattitudes. Indeed, both biochemical and biophysical effects of the vegetation on climate converge toward a global cooling effect. As reforestation in tropical semi-arid regions aims at satisfying various ecosystemic services, it holds beneficial promises at both the global and the local scale. However, due to scarce water resources, implementing a tree cover in semi-arid conditions could turn out unsustainable in the long run. A bioclimatological is applied, in chapter 2, to a multimodel ensemble of projections in order to draw the evolution of global tropical semi-arid territory under several climate change scenarios (RCP). The present tropical semi-arid territory is expected to remain mostly so in future conditions. However, up to 25% of the this territory on average will evolve towards arider conditions, and up to 11% towards wetter conditions. Nevertheless, the tropical semi-arid territory will increase by the end of the 21st century, by up to 13% on average (RCP 8.5). This increase results from a migration outside of the tropical belt, consistent with the Hadley circulation widening hypothesis under climate change. Chapter 3 proposes a methodology aimed at analysing the implications of this evolution for the climatic potential of tree cover sustainability. The global vegetation model (ORCHIDEE, developed at IPSL), used to simulate this potential, accounts mechanistically for all the climatic factors of the plant's growth. A typology of result profiles from the simulation experiments partitions the territory into subregions characterized by a specific relation between the tree development and the tree cover density: five types range from the least (Type 1) to the most (Type 4) favourable ones. A reference experiment is performed using observational climate data (from the Climatic Research Unit). Covering almost half of the territory, Type 1 is characterized by the impossibility to maintain a tree cover for the highest cover densities. The second type in order of surface occupation is Type 4 (28% of the territory). More favourable, it is characterized by high tree development for any tree cover density. The "tree cover potential" of each type is characterized by its optimum: the tree cover density that realises the best compromise between tree development and total productivity. In Chapter 4, the same methodology is applied to future climate projections for RCP 8.5. The ORCHIDEE model is thus forced with global climate model outputs, for the beginning and the end of the 21st century. By the end of the century, Type 1 represents no more than 25% of the tropical semi-arid territory on average, while Type 4 becomes the dominant one (49% of the territory). Because of the stability of the tree cover potential whithin each type, the evolution toward a more or less favourable type can be directly interpreted in terms of an increasing or a decreasing potential. The results show that the tree cover potential in the tropical semi-arid territory does not systematically suffer from the general decrease that could be expected from increasing aridity. A complementary experiment suggests that the main reason for this result lies is the atmospheric CO2 fertilization effect. Interpreting these results for reforestation strategy recommandations, suggests that, for the long term, areas of the tropical semi-arid territory where reforestation would be advised against are overall relatively small.

>Magister Scientiae - MSc / Many countries in sub-Sahara African region are characterised by crystalline basement aquifers where groundwater explorations are often described as complex. This is because groundwater availability in such aquifers is largely a consequence of the interaction of several processes related to groundwater process [recharge-flow-discharge process], underlying geological features and fracture connectivity of the aquifer rock matrix. At a local scale, crystalline basement aquifers are heterogeneous and anisotropic due to fractures, geological structures and discontinuities including varying hydraulic characteristics which need to be understood. The lack of detailed investigations of site-specific conditions to assess influence on groundwater recharge process limits implementation of initiatives for groundwater abstraction that supports environment and socio-economic projects. / 2023

Aus gegebenen klimatischen Gründen sind viele Milchviehbetriebe in Syrien gezwungen, Grobfutter aus weit entfernten Ackerbaugebieten heran zu transportieren. Im Falle des in die-ser Arbeit beschriebenen Unterschungsbetriebes werden jährlich etwa 400 Tonnen Futterstroh aus dem ca. 800 km entfernten Ackerbaugebiet herantransportiert. In dem Untersuchungsbe-trieb stellt Stroh über 80% des Grobfutters dar. Gegenwärtig wird das Stroh gehäckselt und in Plastik-Säcke gefüllt; dennoch werden die eingesetzten Transportzüge nur zu 45% ausgela-stet. Die Kosten der Kompaktierung und des Transports aus den Getreideanbaugebieten in die Milchviehbetriebe bestimmen im Wesentlichen die Kosten für das Stroh. Aus diesem Grunde konzentrierten sich die Untersuchungen darauf, in welchem Maße durch unterschiedliche Be-handlungsmethoden von Stroh dessen Einsatzmöglichkeiten in der Milchviehfütterung ver-bessert, die Transportaufwendungen reduziert und die Umwelt durch verringerten Treibstoff-verbrauch entlastet werden können. Untersucht wurden die Möglichkeiten zur Erhöhung der Transportleistung und zur Senkung der Aufwendungen bei gleichzeitiger Sicherung der Fut-terqualität, die insbesondere durch die mechanische und chemische Behandlung des Strohs erzielt werden können. Anhand der mechanischen und chemischen Behandlung von Stroh wurden die Möglichkeiten der Futterwerterhöhung des Strohs sowie eine angepaßte Rationsgestaltung durchgeführt. Da-bei erweist sich die Quaderballenlinie als das optimale Verfahren, das durch die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs für den Transport die CO2-Emission um 46% pro Jahr senkt. Die Strohbehandlung durch Zusatz von 4% Harnstoff und 50% Wasser (bezogen auf die Trocken-substanzmenge des Strohs) stellt eine optimale Lösung dar. Aufgrund dessen sollte der Anteil von Aufschlußstroh in der täglichen Ration auf 5 bis 8 kg TS / Kuh u. Tag (abhängig vom Laktationsstadium) erhöht werden. Die Effekte der Quadergroßballen und der anschließenden Harnstoffbehandlung am Ver-brauchsort bringen dem Betrieb eine finanzielle Entlastung von 13% seiner Jahresausgaben für Futtermittel. / Due to the unfavourable climatic conditions for forage production, dairy farms around Da-mascus (Syria) are forced to transport straw from far crop growing regions. The dairy farm covered in this study needs about 400 tonnes of straw to be used as feed which has to be transported from a distance of around 800 km. In the study farm straw covers more than 80% of the forage feed provided. At present the straw is chopped and is being transported in plastic sacks utilising only 45 % of the capacity of the trucks. This indicates the need for improve-ment in truck utilisation through optimisation process such as compacting. The cost of straw is mainly influenced by the cost of compacting and transporting the straw from crop producing regions to the dairy farms located at up to 800 km away from the pro-duction centre. This study was therefore undertaken to evaluate the different treatment methods such as physical (chopping, compacting, etc) and chemical (Urea application) in improving the utili-sation of straw as dairy feed. The study has also included the minimisation of transportation cost and reduction of pollution of the environment through an optimisation process. At the same time attempts were made to increase the transport capacity and reduction of the expendi-ture without affecting the quality of the feed. Through the physical and chemical treatments of straw it was possible to improve the feed value of straw which has enabled us to develop a new ration formulation that could be used on the study farm. The use of square bale to compact the straw has reduced diesel consumption which in turn minimises CO2 emission by 46% per year. The chemical treatment employed by using 4% Urea and 50% water of the straw weight was observed to be optimal. Based on the above chemical treatment procedure, an allowance of 5 to 8 kg DM per cow and day was recommended depending on the lactation stage of the cow. The effect of the square baling in conjunction with the Urea treatment at the dairy farm could reduce the yearly feed expenditure of the farm by 13%.

Semi-arid areas are, due to their climatic setting, characterized by small water resources. An increasing water demand as a consequence of population growth and economic development as well as a decreasing water availability in the course of possible climate change may aggravate water scarcity in future, which often exists already for present-day conditions in these areas. Understanding the mechanisms and feedbacks of complex natural and human systems, together with the quantitative assessment of future changes in volume, timing and quality of water resources are a prerequisite for the development of sustainable measures of water management to enhance the adaptive capacity of these regions. For this task, dynamic integrated models, containing a hydrological model as one component, are indispensable tools.<br /> The main objective of this study is to develop a hydrological model for the quantification of water availability in view of environmental change over a large geographic domain of semi-arid environments.<br /> The study area is the Federal State of Ceará (150 000 km2) in the semi-arid north-east of Brazil. Mean annual precipitation in this area is 850 mm, falling in a rainy season with duration of about five months. Being mainly characterized by crystalline bedrock and shallow soils, surface water provides the largest part of the water supply. The area has recurrently been affected by droughts which caused serious economic losses and social impacts like migration from the rural regions. <br /> The hydrological model Wasa (Model of Water Availability in Semi-Arid Environments) developed in this study is a deterministic, spatially distributed model being composed of conceptual, process-based approaches. Water availability (river discharge, storage volumes in reservoirs, soil moisture) is determined with daily resolution. Sub-basins, grid cells or administrative units (municipalities) can be chosen as spatial target units. The administrative units enable the coupling of Wasa in the framework of an integrated model which contains modules that do not work on the basis of natural spatial units.<br /> The target units mentioned above are disaggregated in Wasa into smaller modelling units within a new multi-scale, hierarchical approach. The landscape units defined in this scheme capture in particular the effect of structured variability of terrain, soil and vegetation characteristics along toposequences on soil moisture and runoff generation. Lateral hydrological processes at the hillslope scale, as reinfiltration of surface runoff, being of particular importance in semi-arid environments, can thus be represented also within the large-scale model in a simplified form. Depending on the resolution of available data, small-scale variability is not represented explicitly with geographic reference in Wasa, but by the distribution of sub-scale units and by statistical transition frequencies for lateral fluxes between these units.<br /> Further model components of Wasa which respect specific features of semi-arid hydrology are: <br /> (1) A two-layer model for evapotranspiration comprises energy transfer at the soil surface (including soil evaporation), which is of importance in view of the mainly sparse vegetation cover. Additionally, vegetation parameters are differentiated in space and time in dependence on the occurrence of the rainy season. <br /> (2) The infiltration module represents in particular infiltration-excess surface runoff as the dominant runoff component. <br /> (3) For the aggregate description of the water balance of reservoirs that cannot be represented explicitly in the model, a storage approach respecting different reservoirs size classes and their interaction via the river network is applied. <br /> (4) A model for the quantification of water withdrawal by water use in different sectors is coupled to Wasa. <br /> (5) A cascade model for the temporal disaggregation of precipitation time series, adapted to the specific characteristics of tropical convective rainfall, is applied for the generating rainfall time series of higher temporal resolution.<br /> All model parameters of Wasa can be derived from physiographic information of the study area. Thus, model calibration is primarily not required.<br /> Model applications of Wasa for historical time series generally results in a good model performance when comparing the simulation results of river discharge and reservoir storage volumes with observed data for river basins of various sizes. The mean water balance as well as the high interannual and intra-annual variability is reasonably represented by the model. Limitations of the modelling concept are most markedly seen for sub-basins with a runoff component from deep groundwater bodies of which the dynamics cannot be satisfactorily represented without calibration.<br /> Further results of model applications are:<br /> (1) Lateral processes of redistribution of runoff and soil moisture at the hillslope scale, in particular reinfiltration of surface runoff, lead to markedly smaller discharge volumes at the basin scale than the simple sum of runoff of the individual sub-areas. Thus, these processes are to be captured also in large-scale models. The different relevance of these processes for different conditions is demonstrated by a larger percentage decrease of discharge volumes in dry as compared to wet years.<br /> (2) Precipitation characteristics have a major impact on the hydrological response of semi-arid environments. In particular, underestimated rainfall intensities in the rainfall input due to the rough temporal resolution of the model and due to interpolation effects and, consequently, underestimated runoff volumes have to be compensated in the model. A scaling factor in the infiltration module or the use of disaggregated hourly rainfall data show good results in this respect.<br /> The simulation results of Wasa are characterized by large uncertainties. These are, on the one hand, due to uncertainties of the model structure to adequately represent the relevant hydrological processes. On the other hand, they are due to uncertainties of input data and parameters particularly in view of the low data availability. Of major importance is:<br /> (1) The uncertainty of rainfall data with regard to their spatial and temporal pattern has, due to the strong non-linear hydrological response, a large impact on the simulation results.<br /> (2) The uncertainty of soil parameters is in general of larger importance on model uncertainty than uncertainty of vegetation or topographic parameters.<br /> (3) The effect of uncertainty of individual model components or parameters is usually different for years with rainfall volumes being above or below the average, because individual hydrological processes are of different relevance in both cases. Thus, the uncertainty of individual model components or parameters is of different importance for the uncertainty of scenario simulations with increasing or decreasing precipitation trends.<br /> (4) The most important factor of uncertainty for scenarios of water availability in the study area is the uncertainty in the results of global climate models on which the regional climate scenarios are based. Both a marked increase or a decrease in precipitation can be assumed for the given data.<br /> Results of model simulations for climate scenarios until the year 2050 show that a possible future change in precipitation volumes causes a larger percentage change in runoff volumes by a factor of two to three. In the case of a decreasing precipitation trend, the efficiency of new reservoirs for securing water availability tends to decrease in the study area because of the interaction of the large number of reservoirs in retaining the overall decreasing runoff volumes. / Semiaride Gebiete sind auf Grund der klimatischen Bedingungen durch geringe Wasserressourcen gekennzeichnet. Ein zukünftig steigender Wasserbedarf in Folge von Bevölkerungswachstum und ökonomischer Entwicklung sowie eine geringere Wasserverfügbarkeit durch mögliche Klimaänderungen können dort zu einer Verschärfung der vielfach schon heute auftretenden Wasserknappheit führen. Das Verständnis der Mechanismen und Wechselwirkungen des komplexen Systems von Mensch und Umwelt sowie die quantitative Bestimmung zukünftiger Veränderungen in der Menge, der zeitlichen Verteilung und der Qualität von Wasserressourcen sind eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung von nachhaltigen Maßnahmen des Wassermanagements mit dem Ziel einer höheren Anpassungsfähigkeit dieser Regionen gegenüber künftigen Änderungen. Hierzu sind dynamische integrierte Modelle unerlässlich, die als eine Komponente ein hydrologisches Modell beinhalten. <br /> Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist daher die Erstellung eines hydrologischen Modells zur großräumigen Bestimmung der Wasserverfügbarkeit unter sich ändernden Umweltbedingungen in semiariden Gebieten.<br /> Als Untersuchungsraum dient der im semiariden tropischen Nordosten Brasiliens gelegene Bundestaat Ceará (150 000 km2). Die mittleren Jahresniederschläge in diesem Gebiet liegen bei 850 mm innerhalb einer etwa fünfmonatigen Regenzeit. Mit vorwiegend kristallinem Grundgebirge und geringmächtigen Böden stellt Oberflächenwasser den größten Teil der Wasserversorgung bereit. Die Region war wiederholt von Dürren betroffen, die zu schweren ökonomischen Schäden und sozialen Folgen wie Migration aus den ländlichen Gebieten geführt haben. <br /> Das hier entwickelte hydrologische Modell Wasa (Model of Water Availability in Semi-Arid Environments) ist ein deterministisches, flächendifferenziertes Modell, das aus konzeptionellen, prozess-basierten Ansätzen aufgebaut ist. Die Wasserverfügbarkeit (Abfluss im Gewässernetz, Speicherung in Stauseen, Bodenfeuchte) wird mit täglicher Auflösung bestimmt. Als räumliche Zieleinheiten können Teileinzugsgebiete, Rasterzellen oder administrative Einheiten (Gemeinden) gewählt werden. Letztere ermöglichen die Kopplung des Modells im Rahmen der integrierten Modellierung mit Modulen, die nicht auf der Basis natürlicher Raumeinheiten arbeiten.<br /> Im Rahmen eines neuen skalenübergreifenden, hierarchischen Ansatzes werden in Wasa die genannten Zieleinheiten in kleinere räumliche Modellierungseinheiten unterteilt. Die ausgewiesenen Landschaftseinheiten erfassen insbesondere die strukturierte Variabilität von Gelände-, Boden- und Vegetationseigenschaften entlang von Toposequenzen in ihrem Einfluss auf Bodenfeuchte und Abflussbildung. Laterale hydrologische Prozesse auf kleiner Skala, wie die für semiaride Bedingungen bedeutsame Wiederversickerung von Oberflächenabfluss, können somit auch in der erforderlichen großskaligen Modellanwendung vereinfacht wiedergegeben werden. In Abhängigkeit von der Auflösung der verfügbaren Daten wird in Wasa die kleinskalige Variabilität nicht räumlich explizit sondern über die Verteilung von Flächenanteilen subskaliger Einheiten und über statistische Übergangshäufigkeiten für laterale Flüsse zwischen den Einheiten berücksichtigt.<br /> Weitere Modellkomponenten von Wasa, die spezifische Bedingungen semiarider Gebiete berücksichtigen, sind: <br /> (1) Ein Zwei-Schichten-Modell zur Bestimmung der Evapotranspiration berücksichtigt auch den Energieumsatz an der Bodenoberfläche (inklusive Bodenverdunstung), der in Anbetracht der meist lichten Vegetationsbedeckung von Bedeutung ist. Die Vegetationsparameter werden zudem flächen- und zeitdifferenziert in Abhängigkeit vom Auftreten der Regenzeit modifiziert. <br /> (2) Das Infiltrationsmodul bildet insbesondere Oberflächenabfluss durch Infiltrationsüberschuss als dominierender Abflusskomponente ab. <br /> (3) Zur aggregierten Beschreibung der Wasserbilanz von im Modell nicht einzeln erfassbaren Stauseen wird ein Speichermodell unter Berücksichtigung verschiedener Größenklassen und ihrer Interaktion über das Gewässernetz eingesetzt. <br /> (4) Ein Modell zur Bestimmung der Entnahme durch Wassernutzung in verschiedenen Sektoren ist an Wasa gekoppelt. <br /> (5) Ein Kaskadenmodell zur zeitlichen Disaggregierung von Niederschlagszeitreihen, das in dieser Arbeit speziell für tropische konvektive Niederschlagseigenschaften angepasst wird, wird zur Erzeugung höher aufgelöster Niederschlagsdaten verwendet.<br /> Alle Modellparameter von Wasa können von physiographischen Gebietsinformationen abgeleitet werden, sodass eine Modellkalibrierung primär nicht erforderlich ist. <br /> Die Modellanwendung von Wasa für historische Zeitreihen ergibt im Allgemeinen eine gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse für Abfluss und Stauseespeichervolumen mit Beobachtungsdaten in unterschiedlich großen Einzugsgebieten. Die mittlere Wasserbilanz sowie die hohe monatliche und jährliche Variabilität wird vom Modell angemessen wiedergegeben. Die Grenzen der Anwendbarkeit des Modell-konzepts zeigen sich am deutlichsten in Teilgebieten mit Abflusskomponenten aus tieferen Grundwasserleitern, deren Dynamik ohne Kalibrierung nicht zufriedenstellend abgebildet werden kann.<br /> Die Modellanwendungen zeigen weiterhin:<br /> (1) Laterale Prozesse der Umverteilung von Bodenfeuchte und Abfluss auf der Hangskala, vor allem die Wiederversickerung von Oberflächenabfluss, führen auf der Skala von Einzugsgebieten zu deutlich kleineren Abflussvolumen als die einfache Summe der Abflüsse der Teilflächen. Diese Prozesse sollten daher auch in großskaligen Modellen abgebildet werden. Die unterschiedliche Ausprägung dieser Prozesse für unterschiedliche Bedingungen zeigt sich an Hand einer prozentual größeren Verringerung der Abflussvolumen in trockenen im Vergleich zu feuchten Jahren.<br /> (2) Die Niederschlagseigenschaften haben einen sehr großen Einfluss auf die hydrologische Reaktion in semiariden Gebieten. Insbesondere die durch die grobe zeitliche Auflösung des Modells und durch Interpolationseffekte unterschätzten Niederschlagsintensitäten in den Eingangsdaten und die daraus folgende Unterschätzung von Abflussvolumen müssen im Modell kompensiert werden. Ein Skalierungsfaktor in der Infiltrationsroutine oder die Verwendung disaggregierter stündlicher Niederschlagsdaten zeigen hier gute Ergebnisse.<br /> Die Simulationsergebnisse mit Wasa sind insgesamt durch große Unsicherheiten gekennzeichnet. Diese sind einerseits in Unsicherheiten der Modellstruktur zur adäquaten Beschreibung der relevanten hydrologischen Prozesse begründet, andererseits in Daten- und Parametersunsicherheiten in Anbetracht der geringen Datenverfügbarkeit. Von besonderer Bedeutung ist: <br /> (1) Die Unsicherheit der Niederschlagsdaten in ihrem räumlichen Muster und ihrer zeitlichen Struktur hat wegen der stark nicht-linearen hydrologischen Reaktion einen großen Einfluss auf die Simulationsergebnisse.<br /> (2) Die Unsicherheit von Bodenparametern hat im Vergleich zu Vegetationsparametern und topographischen Parametern im Allgemeinen einen größeren Einfluss auf die Modellunsicherheit.<br /> (3) Der Effekt der Unsicherheit einzelner Modellkomponenten und -parameter ist für Jahre mit unter- oder überdurchschnittlichen Niederschlagsvolumen zumeist unterschiedlich, da einzelne hydrologische Prozesse dann jeweils unterschiedlich relevant sind. Die Unsicherheit einzelner Modellkomponenten- und parameter hat somit eine unterschiedliche Bedeutung für die Unsicherheit von Szenarienrechnungen mit steigenden oder fallenden Niederschlagstrends.<br /> (4) Der bedeutendste Unsicherheitsfaktor für Szenarien der Wasserverfügbarkeit für die Untersuchungsregion ist die Unsicherheit der den regionalen Klimaszenarien zu Grunde liegenden Ergebnisse globaler Klimamodelle. Eine deutliche Zunahme oder Abnahme der Niederschläge bis 2050 kann gemäß den hier vorliegenden Daten für das Untersuchungsgebiet gleichermaßen angenommen werden.<br /> Modellsimulationen für Klimaszenarien bis zum Jahr 2050 ergeben, dass eine mögliche zukünftige Veränderung der Niederschlagsmengen zu einer prozentual zwei- bis dreifach größeren Veränderung der Abflussvolumen führt. Im Falle eines Trends von abnehmenden Niederschlagsmengen besteht in der Untersuchungsregion die Tendenz, dass auf Grund der gegenseitigen Beeinflussung der großen Zahl von Stauseen beim Rückhalt der tendenziell abnehmenden Abflussvolumen die Effizienz von neugebauten Stauseen zur Sicherung der Wasserverfügbarkeit zunehmend geringer wird.

Inner Mongolian grasslands are part of the vast Eurasian steppe belt and were used for nomadic pastoralism for thousands of years. As a result of political and economic changes in China in the last century, this mobile grazing management has been replaced by a sedentary and intensified livestock production. Stocking rates have increased substantially, overshooting the carrying capacity of the grasslands. These land use changes have induced severe grassland degradation. The impact and causes of grassland degradation have been investigated by the Sino-German joint research group MAGIM (Matter fluxes in grasslands of Inner Mongolia as influenced by stocking rate) in the Xilin River catchment of Inner Mongolia since 2004. This work is part of subproject P6, which amongst others pursues the goal of quantifying water balance exchange by micrometeorology and remote sensing. The dominating process of water balance losses in Inner Mongolian grasslands is evapotranspiration (ET), whereby water vapour is released into the lower atmosphere. ET is highly variable in both time and space in this semi-arid environment, as it is coupled with the typically fluctuating amount of precipitation (P). However, despite ET being the key output process of the hydrological cycle of Inner Mongolian grasslands and despite its important role as an indicator for ecosystem functioning, little is known about its spatiotemporal distribution and variability in this remote area. Recent studies on ET have demonstrated variations due to phenology, soil moisture and land use, but these studies have been limited to short periods and have been conducted on a few field sites in close proximity with debatable representativeness for the 2600 km² of grasslands in the Xilin River catchment. The development of a number of remote sensing methods in the last decades has introduced various approaches to determining spatial ET from space, but the application of remotely sensed ET in regional long-term studies is still problematic. Nevertheless, a variety of surface parameters are provided by the sensor MODIS (moderate resolution imaging spectroradiometer) at a resolution of approx. 1km. The aim of this work was (1) to close the gap between the limitations of available local ET measurements and the need for long-term studies on spatial ET in Inner Mongolian grasslands and (2) to analyse the spatiotemporal variability of ET and its implications on livestock management in this area. Therefore, micrometeorological data, remote sensing products and hydrological modelling with BROOK90 were integrated to model spatial ET for the grasslands of the Xilin River catchment over 10 years. The hydrological model BROOK90 calculates ET based on a modified Penman-Monteith approach including the separation of energy into transpiration and soil evaporation. The spatial application of the model was based on a land use classification restricted to the land use unit typical steppe. BROOK90 was parameterised from eddy covariance measurements, soil characteristics and MODIS leaf area index (LAI). Location and canopy parameters were provided individually, as well as the essential daily model input, including P and air temperatures for each pixel. Minimum and maximum air temperatures were calculated based on a relationship between measured air temperatures and MODIS surface temperatures (R²=0.92 and R²=0.87, n=81). Spatial P was estimated from a relationship found between the measured cumulative P of six rain gauges within the grasslands and the increase of MODIS LAI around these measurements (R²=0.80, n=270). Modelled ET is plausible and fits in the range of published results. ET was demonstrated to be highly variable in both time and space: the high spatiotemporal variability of eight-day ET is reflected by the coefficients of variation, which varied between 25% and 40% for the whole study area and were up to 75% for individual pixels. Soil evaporation reacts considerably more sensitively to precipitation pulses than transpiration. Modelled annual ET sums approached or exceeded precipitation sums in general; however, P exceeded ET in 2003, when exceptionally high precipitation occurred. The strong dynamics and the high spatiotemporal variability of ET clearly demonstrate that the current static livestock management is not adapted to the conditions of Inner Mongolian grasslands. New concepts for a sustainable livestock management could be developed in consideration of the intrinsic long-term patterns of spatial ET distribution and spatiotemporal variability identified in this work. Moreover, as this method for modelling spatial ET is not restricted to the grasslands of the Xilin River catchment, livestock management in other semi-arid grasslands could benefit from it as well. / Die Grasländer der Inneren Mongolei sind Teil des riesigen eurasischen Steppengürtels und wurden seit Tausenden von Jahren für die nomadische Weidewirtschaft genutzt. Als Folge der politischen und wirtschaftlichen Veränderungen in China im letzten Jahrhundert ist diese mobile Weidewirtschaft durch eine ortsgebundene und intensivierte Tierhaltung ersetzt worden. Besatzdichten wurden erheblich erhöht und die Tragfähigkeit der Grasländer wurde deutlich überschritten. Diese Landnutzungsänderungen haben schwerwiegende Degradationserscheinungen der Grasländer induziert. Die Ursachen und Auswirkungen der Degradation sind von der Deutsch-Chinesischen-Forschungsgruppe MAGIM (Matter fluxes in grasslands of Inner Mongolia as influenced by stocking rate) im Einzugsgebiet des Xilin-Flusses in der Inneren Mongolei seit 2004 untersucht worden. Diese Arbeit wurde im Rahmen des Teilprojektes P6 erstellt, welches unter anderem das Ziel verfolgt, Wasserhaushaltsprozesse mit Mikrometeorologie und Fernerkundung zu quantifizieren. Der dominierende Prozess der Wasserbilanz-Verluste in den Grasländern der Inneren Mongolei ist die Verdunstung (ET), wobei Wasserdampf in die untere Atmosphäre freigesetzt wird. ET ist in diesem semi-ariden Ökosystem in Zeit und Raum sehr variabel, da an die in der Regel schwankenden Niederschläge (P) gekoppelt. Trotz der Schlüsselrolle, die ET im Wasserkreislauf der Inneren Mongolei einnimmt, und der wichtigen Rolle als Indikator für die Funktionsweise des Ökosystems, ist wenig über die raum-zeitliche Verteilung und Variabilität von ET in dieser abgelegenen Region bekannt. Neuere Studien haben ET-Schwankungen aufgrund von Phänologie, Bodenfeuchte und Bodennutzung dargestellt, aber diese Studien sind auf kurze Zeiträume beschränkt und wurden auf nur wenigen Standorten, die sich in unmittelbarer Nähe befinden, durchgeführt. Dies stellt ihre Repräsentativität für die 2600 km² an Grasland im Xilin-Einzugsgebiet in Frage. Die Entwicklung von Fernerkundungsmethoden in den letzten Jahrzehnten hat verschiedene Ansätze zur Bestimmung der räumlichen ET hervorgebracht, jedoch ist die Anwendung von ET aus Fernerkundungsdaten in regionalen Langzeitstudien immer noch problematisch. Dennoch werden eine Vielzahl von Oberflächenparametern durch den Sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) bei einer Auflösung von ca. 1km zur Verfügung gestellt. Das Ziel dieser Arbeit war (1) die Lücke zwischen den verfügbaren lokalen ET-Messungen und dem Bedarf an langfristigen Untersuchungen zu räumlicher ET im Grasland der Inneren Mongolei zu schließen und (2) die räumlich-zeitliche Variabilität von ET vor dem Hintergrund des Beweidungsmanagements zu analysieren. Daher wurden mikrometeorologische Daten, Fernerkundungsprodukte und hydrologische Modellierungen mit BROOK90 integriert, um die räumliche ET für die Grasländer des Xilin-Einzugsgebietes über 10 Jahre zu modellieren. Das hydrologische Modell BROOK90 berechnet ET auf Basis eines modifizierten Penman-Monteith-Ansatzes einschließlich der Aufteilung in Transpiration und Bodenverdunstung. Die räumliche Anwendung des Standortmodells basiert auf einer Landnutzungsklassifikation und wurde für die Landnutzungsklasse typical steppe durchgeführt. Eddy-Kovarianz-Messungen, Bodeneigenschaften und MODIS-Blattflächenindex (LAI) wurden zur Parametrisierung von BROOK90 verwendet. Sowohl Lage- und Pflanzenparameter, als auch die notwendigen Modelleingangsdaten (Tageswerte von P und Lufttemperaturen), wurden für jeden Pixel individuell zur Verfügung gestellt. Minimum- und Maximum-Lufttemperaturen wurden mittels einer Beziehung zwischen gemessenen Lufttemperaturen und MODIS-Oberflächentemperaturen berechnet (R²=0.92 und R²=0.87, n=81). Räumliche P wurden aus einem Zusammenhang zwischen gemessenen kumulierten P von sechs Niederschlagsmessern im Untersuchungsgebiet und der Erhöhung des MODIS-LAI im Bereich dieser Messungen abgeleitet (R²=0.80, n=270). Die modellierte räumliche ET ist plausibel und liegt im Wertebereich der publizierten Ergebnisse. Es wurde gezeigt, das ET sehr variabel in Raum und Zeit ist: die raum-zeitlichen Schwankungen der achttägigen ET wurden durch den Variationskoeffizienten dargestellt, welcher zwischen 25% und 40% für das gesamte Untersuchungsgebiet variiert und für einzelne Pixel bis auf 75% ansteigt. Die Bodenverdunstung reagiert wesentlich empfindlicher auf Niederschlagsereignisse als die Transpiration. Modellierte Jahres-ET-Summen erreichen oder überschritten die Niederschlagssummen in der Regel, jedoch übertraf P die ET im Jahre 2003, als außergewöhnlich hohe Niederschläge aufgetreten sind. Die starke Dynamik und die hohe raum-zeitliche Variabilität der ET zeigen deutlich, dass die aktuelle statische Tierhaltung nicht an die Bedingungen in den Innermongolischen Grasländern angepasst ist. Neue Konzepte für eine nachhaltige Viehwirtschaft könnten unter Berücksichtigung der inhärenten langfristigen Muster der räumlichen Verteilung von ET und ihrer raum-zeitlichen Variabilität, die in dieser Arbeit identifiziert wurden, entwickelt werden. Außerdem ist die Anwendung der entwickelten Methode für die Modellierung räumlicher ET nicht auf die Grasländer des Xilin-Einzugsgebietes beschränkt; die Weidewirtschaft in anderen semi-ariden Grasländern könnte ebenfalls davon profitieren.

The distribution of mountain permafrost is generally modeled using a combination of statistical techniques and empirical variables. Such models, based on topographic, climatic and geomorphological predictors of permafrost, have been widely used to estimate the spatial distribution of mountain permafrost in North America and Europe. However at present, little knowledge about the distribution and characteristics of mountain permafrost is available for the Andes. In addition, the effects of climate change on slope stability and the hydrological system, and the pressure of mining activities have increased concerns about the knowledge of mountain permafrost in the Andes. In order to model permafrost distribution in the semi-arid Chilean Andes between ~29°S and 32°S, an inventory of rock glaciers is carried out to obtain a variable indicative of the presence and absence of permafrost conditions. Then a Linear Mixed-Effects Model (LMEM) is used to determine the spatial distribution of Mean Annual Air Temperature (MAATs), which is then used as one of the predictors of permafrost occurrence. Later, a Generalized Additive Model (GAM) with a logistic link function is used to predict permafrost occurrence in debris surfaces within the study area. Within the study area, 3575 rock glaciers were inventoried. Of these, 1075 were classified as active, 493 as inactive, 343 as intact and 1664 as relict forms, based on visual interpretation of satellite imagery. Many of the rock glaciers (~60-80%) are situated at positive MAAT, and the number of rock glaciers at negative MAAT greatly decreases from north to south. The results of spatial temperature distribution modeling indicated that the temperature changes by -0.71°C per each 100 m increase in altitude, and that there is a 4°C temperature difference between the northern and southern part of the study area. The altitudinal position of the 0°C MAAT isotherm is situated at ~4250 m a.s.l. in the northern (29°S) section and drops latitudinally to ~4000 m a.s.l. in the southern section (32°S) of the study area. For permafrost modeling purposes, 1911 rock glaciers (active, inactive and intact forms) were categorized into the class indicative of permafrost presence and 1664 (relict forms) as non-permafrost. The predictors MAAT and Potential Incoming Solar Radiation (PISR) and their nonlinear interaction were modeled by the GAM using LOESS smoothing function. A temperature offset term was applied to reduce the overestimation of permafrost occurrence in debris surface areas due to the use of rock glaciers as permafrost proxies. The dependency between the predictor variables shows that a high amount of PISR has a greater effect at positive MAAT levels than in negative ones. The GAM for permafrost distribution achieved an acceptable discrimination capability between permafrost classes (area under the ROC curve ~0.76). Considering a permafrost probability score (PPS) ≥ 0.5 and excluding steep bedrock and glacier surfaces, mountain permafrost can be potentially present in up to about 6.8% (2636 km2) of the study area, whereas with a PPS ≥ 0.75, the potential permafrost area decreases to 2.7% (1051 km2). Areas with the highest PPS are spatially concentrated in the north section of the study area where altitude rises considerably (the Huasco and Elqui watersheds), while permafrost is almost absent in the southern section where the topography is considerably lower (Limarí and Choapa watersheds). This research shows that the potential mountain permafrost distribution can be spatially modeled using topoclimatic information and rock glacier inventories. Furthermore, the results have provided the first local estimation of permafrost distribution in the semi-arid Chilean Andes. The results obtained can be used for local environmental planning and to aid future research in periglacial topics.