Dresden, Techn. Univ., Diss., 2005

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2008.

University, Diss., 2006--Kassel.

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

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

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

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

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

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Im Einzugsgebiet des Wairau River auf der Südinsel Neuseelands sind in den vergangenen Jahrzehnten klimatische Veränderungen beobachtet worden. Beeinflusst durch eine Abnahme der jährlichen Niederschläge sinken auch die Gebietsabflüsse. Der Wairau Aquifer, der für die Bewässerung Neuseelands größtem Weinanbaugebiet genutzt wird, ist maßgeblich von dem Abflussverhalten des Wairau River abhängig und verzeichnet einen Rückgang der Grundwasserstände. Die Simulation der hydrologischen Prozesse im Einzugsgebiet ist daher notwendig, um das Verständnis für die Zusammenhänge zu erhöhen. Um die Prozesse abzubilden, wurde in dieser Masterarbeit die Modular Assessment of Rainfall–Runoff Models Toolbox (MARRMoT) verwendet. Ziel der Anwendung von MARRMoT war, ein Modell oder ein Modellensemble zu finden, das für die Simulation der Niederschlags-Abfluss-Beziehungen im Einzugsgebiet Wairau River geeignet ist. Zu diesem Zweck wurden in einem ersten Szenario 42 Modelle aus MARRMoT auf das Einzugsgebiet Wairau River mit dem Gütekriterium Kling-Gupta-Effizienz (KGE) kalibriert. In weiteren Szenarien wurden die Kalibrierungen mit dem KGE mit invers transformierten Durchflüssen (KGEi) sowie mit einer Mischform der beiden Kriterien (KGEm) realisiert. Die Bewertung der Modellperformance erfolgte anhand ausgewählter Gütekriterien. Durch die Auswertung konnten drei MARRMoT-Modelle ermittelt werden, die in allen drei Kalibrierszenarien eine hohe Performance gezeigt haben und für die weitere Anwendung im Einzugsgebiet Wairau River geeignet sind. Ein Teilziel dieser Arbeit war zudem die Korrektur von simulierten Niederschlagsdaten aus dem unbeobachteten Quellgebiet des Wairau River, die in vorherigen Arbeiten als fehlerhaft identifiziert wurden (Ludwig 2018). Dafür wurde eine höhenabhängige Korrekturvorschrift ermittelt. Die anschließende Simulation des Gebiets hat jedoch gezeigt, dass die Korrektur ohne eine bessere Datengrundlage nicht erfolgreich ist.:1. Einführung 2. Beschreibung des Untersuchungsgebiets 2.1 Klima 2.2 Einzugsgebietsgrenzen 2.3 Geologie 2.4 Boden 2.5 Landnutzung 2.6 Aquifer 3. Datengrundlage 3.1 Meteorologische Daten 3.2 Hydrologische Daten 4. Analyse und Korrektur von Niederschlagsdaten 4.1 Problematik im Teileinzugsgebiet Dip Flat 4.2 Aufbereitung der Daten 4.3 Erstellung einer Korrekturvorschrift 5. Anwendung der MARRMo Toolbox 5.1 Grundlagen von MARRMoT 5.2 Betrachtung ausgewählter MARRMoT-Modelle 5.3 Gütekriterien 5.4 Kalibrierung und Evaluierung 5.4.1 Grundlagen 5.4.2 Automatische Kalibrierung mit MARRMoT 5.4.3 Kalibrierszenarien 6. Analyse und Diskussion der Ergebnisse 6.1 Niederschlagskorrektur und Datengrundlage 6.1.1 Erstellung der Korrekturvorschrift 6.1.2 Unsicherheiten der Niederschlagskorrektur 6.1.3 Analyse der Datengrundlage für das Gesamteinzugsgebiet 6.1.4 Zusammenfassung 6.2 Anwendung der MARRMo Toolbox 6.2.1 Ergebnisse der Kalibrierszenarien 6.2.2 Detaillierte Auswertung ausgewählter Modelle 6.2.3 Unsicherheiten zwischen und innerhalb der MARRMoT Modelle 6.2.4 Zusammenfassung 6.3 Zusammenführung der Ergebnisse 7. Fazit und Ausblick 8. Literaturverzeichnis / In the catchment area of the Wairau River on the South Island of New Zealand, climatic changes were observed in the past decades. Influenced by a decrease in precipitation, the runoff is reduced. The Wairau Aquifer, which is used for irrigation of New Zealand's largest wine-growing region, is significantly dependent on the runoff of the Wairau River and recorded a decline in groundwater levels. The simulation of the hydrological processes in the catchment area is therefore necessary. For that reason in this Master’s thesis the Modular Assessment of Rainfall Runoff Model Toolbox (MARRMoT) was used in order to find a model or model ensemble suitable for the simulation of precipitation-runoff relationships in the Wairau River catchment. In a first scenario, 42 models from MARRMoT were calibrated for the Wairau River catchment using the efficiency criteria Kling-Gupta-Efficiency (KGE). In further scenarios, calibrations using the KGE with inverse transformed flows (KGEi) as well as a mixed form of the two criteria (KGEm) were realized. The evaluation of the model performance was based on selected performance criteria. The evaluation led to three MARRMoT models, which demonstrated high performance in all three calibration scenarios and are suitable for further use in the Wairau River catchment. A secondary objective of this work was the correction of simulated precipitation data from the unobserved headwaters of the catchment, which were identified as faulty in previous work (Ludwig 2018). For this purpose, a height-dependent correction rule was determined. Subsequent simulation of the area, however, has shown that the correction was unsuccessful and needs a more solid data foundation.:1. Einführung 2. Beschreibung des Untersuchungsgebiets 2.1 Klima 2.2 Einzugsgebietsgrenzen 2.3 Geologie 2.4 Boden 2.5 Landnutzung 2.6 Aquifer 3. Datengrundlage 3.1 Meteorologische Daten 3.2 Hydrologische Daten 4. Analyse und Korrektur von Niederschlagsdaten 4.1 Problematik im Teileinzugsgebiet Dip Flat 4.2 Aufbereitung der Daten 4.3 Erstellung einer Korrekturvorschrift 5. Anwendung der MARRMo Toolbox 5.1 Grundlagen von MARRMoT 5.2 Betrachtung ausgewählter MARRMoT-Modelle 5.3 Gütekriterien 5.4 Kalibrierung und Evaluierung 5.4.1 Grundlagen 5.4.2 Automatische Kalibrierung mit MARRMoT 5.4.3 Kalibrierszenarien 6. Analyse und Diskussion der Ergebnisse 6.1 Niederschlagskorrektur und Datengrundlage 6.1.1 Erstellung der Korrekturvorschrift 6.1.2 Unsicherheiten der Niederschlagskorrektur 6.1.3 Analyse der Datengrundlage für das Gesamteinzugsgebiet 6.1.4 Zusammenfassung 6.2 Anwendung der MARRMo Toolbox 6.2.1 Ergebnisse der Kalibrierszenarien 6.2.2 Detaillierte Auswertung ausgewählter Modelle 6.2.3 Unsicherheiten zwischen und innerhalb der MARRMoT Modelle 6.2.4 Zusammenfassung 6.3 Zusammenführung der Ergebnisse 7. Fazit und Ausblick 8. Literaturverzeichnis