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SFB/TRR 38: Teilprojekt C1 Phase1: Erfassung und Modellierung des Wasser- und Stoffhaushalts für das künstlich geschaffene Quellgebiet 'Hühnerwasser'
Projekt
Förderkennzeichen: keine Angaben
Laufzeit: 01.01.2007
- 01.01.2010
Forschungszweck: Grundlagenforschung
In der Hydrologie basieren Hypothesen und Konzepte zur Analyse hydrologischer Prozesse, insbesondere auch des Wasser- und Stofftransports im Einzugsgebietsmaßstab, in der Regel auf Feldbeobachtungen in natürlichen Wassereinzugsgebieten. Über Modellbildung und Parameteridentifikation wird versucht, mehr oder minder detaillierte Feldbefunde zu verallgemeinern und schließlich auch auf nicht untersuchte Einzugsgebiete zu übertragen. Die Realitätsnähe der auf diese Weise eingesetzten Niederschlag-Abflussmodelle ist häufig unbefriedigend. Die Modellkalibrierung z.B. basiert üblicherweise auf punktuell erhobenen Kennwerten des ursprünglichen Raumes der Modellentwicklung, der in der Regel durch eine große raumzeitliche Heterogenität der Parametergrößen gekennzeichnet ist. Durch diese hohe Zahl der Freiheitsgrade bleiben die natürlichen Systeme weitgehend unterbestimmt und lassen einen hohen Grad der Modellinterpretation zu.
Die Besonderheit der hier vorgeschlagenen Untersuchungen liegt darin, dass in dem künstlich geschaffenen Einzugsgebiet die Zahl der Freiheitsgrade wesentlich kleiner ist und die mit der normalerweise zu berücksichtigenden natürlichen Variation der Parameter verbundenen Unsicherheiten deshalb stark eingeschränkt sind. Die Möglichkeit, die Entwicklung dieser natürlichen Variation während der initialen Strukturbildung zu verfolgen, erlaubt die Kalibrierung und Validierung von Modellen zu unterschiedlichen Systemzuständen (zentrale Hypothesen 4 und 5). Damit werden neue Grundlagen für die Beschreibung des Wasser- und Stoffhaushaltes natürlicher Einzugsgebiete geschaffen.
Im Rahmen des „zwar offenen“ aber räumlich relativ gut ausgrenzbaren und vergleichsweise einfach strukturierten künstlich geschaffenen Einzugsgebiets sollen z.B. die folgenden Fragen beantwortet werden:
• Welche Auswirkungen der Entwicklung des Ökosystems sind an der Wassermenge und
-beschaffenheit des Gebietsabflusses erkennbar (Hypothese 3 und 5)?
• Wie müssen Strukturen verschiedener Skalenebenen auf der Einzugsgebietsskala berücksichtigt werden (Hypothese 1 und 2)?
• Führt eine verbesserte physikalisch basierte Beschreibung von Prozessen auf kleinerer Skala zu einer Verbesserung der Modellergebnisse für das Gesamteinzugsgebiet (Hypothese 2)?
• Wie lassen sich aus beobachteten räumlichen und zeitlichen Änderungen der Wasser- und Stoffflüsse Strategien zur Identifikation unterschiedlicher Entwicklungsstufen ableiten (Hypothese 4)?
Die modellgestützte Gebietsanalyse soll u. a. die Infiltration, die Evaporation, die Bodenwasserbewegung, die Boden- und Grundwasservorratsänderung, die Bildung von Abflusskomponenten sowie die Bestimmung der geochemischen und isotopischen Wasserinhaltstoffe an charakteristischen Geländepositionen umfassen. Die hydrologischen Variablen werden durch sich entwickelnde Oberflächenstrukturen, wie Bodenrisse, Erosionsrillen oder Vegetationsmuster, beeinflusst. Wir entwickeln ein neues dreidimensionales zelluläres Automatenmodell, um die Entstehung dieser komplexen Strukturen zu modellieren und um die räumliche und zeitliche Wasserverteilung, sowie auch die Interaktionen zwischen Fliess- und Oberflächenprozessen zu simulieren. Die mit zellulären Automaten modellierten Wasserbewegungen im Einzugsgebiet werden anschliessend mit den Simulationen eines klassischen hydrologischen Modell, wie COUP oder WaSiM-ETH, verglichen.
Zur ereignisnahen und räumlich hoch auflösenden Abbildung der Wasserbewegung sollen integrierende, hydrologische, tracerhydrologische und hydrochemische Verfahren sowie nichtinvasive Messverfahren genutzt werden. Diese sollen schließlich verallgemeinerungsfähige Informationen über Abflussbildungsprozesse, die Aufenthaltszeit von Wasserkompartimenten sowie über die Stoffverlagerung im System liefern.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Bodenkunde
