Das hier beantragte Wissenstransferprojekt soll die Anwendungsreife von Ergebnissen aus zwei früheren DFG-Forschungsprojekten zu Wasserbewirtschaftungsfragen in semi-ariden Regionen erreichen. Der Fokus wird dabei auf der Methodenübertragung und Ergebnisnutzung für die Entwicklung eines Dürrevorhersage und -managementsystems liegen. Die hier erwähnten DFG-Projekte sind: Sediment Export from large Semi-Arid catchments: Measurements and Modelling), und Generation, transport and retention of water and suspended sediments in large dryland catchments: Monitoring and integrated modelling of fluxes and connectivity phenomena. Der Praxispartner ist die Behörde für Meteorologie und Wasserressourcen des Bundesstaates Ceara (FUNCEME) im Nordosten Brasiliens. Diese führt auch Prognosen für das wasserwirtschaftliche System Cearas durch, welches durch eine stark negative klimatische Wasserbilanz und mehrere tausend (meist kleine) Stauseen gekennzeichnet ist. Es ist vorgesehen, das existierende Wasserbewirtschaftungssystem SIGA von FUNCEME mit dem prozessbasierten hydrologischen Modell WASA-SED zu kombinieren. Das WASA-SED Modell, welches aus den o.g. DFG-Projekten stammt, wurde spezifisch für semiaride meso-skalige Einzugsgebiete konzipiert und entwickelt. Damit werden die charakteristischen hydrologischen Prozesse, einschließlich von Transport- und Konnektivitätsphänomenen im Gewässernetz und den Stauseen simuliert. Die geplanten Arbeiten sind in verschiedene Ebenen gruppiert: (1) Integration des WASA-SED-Modells mit dem SIGA-System um den regionalen Wasserbehörden und Flussgebietskommissionen eine direkte Information über aktuelle und prognostizierte Werte der Stauseefüllungen, Abflüsse an bestimmten Flussabschnitten und anderen Wasserressourcen zu ermöglichen; (2) Effiziente Kommunikation der Ergebnisse mit verschiedenen Stakeholdergruppen und Möglichkeit zur Weiternutzung der Ergebnisse. (3) Anwendung von WASA-SED im Vorhersagemodus, d.h. Nutzung von kurzfristigen und saisonalen meteorologischen Vorhersagen zur Prognose der Wasserverfügbarkeit bei unterschiedlichen Vorhersagezeiträumen. (4) Nutzung der prozess-basierten Struktur von WASA-SED um Effekte sich ändernder Randbedingungen zu untersuchen, besonders bzgl. des dichten Netzes aus Stauanlagen. Wir erwarten aus dem Projekt auch Impulse für neue Forschungsfragen als Ergebnis der Integration der Wasserbewirtschaftung und -infrastruktur in das Modellsystems, so evtl.: (1) Untersuchung und Modellierung der saisonalen Dynamik der Verluste in semiariden Flusssystemen und Ableitung eines dafür geeigneten Abflussroutingansatzes; (2) Quantifizierung und Modellierung der hydro-sedimentologischen Konnektivität in komplexen, vom Menschen stark geformten Hydrosystemen, einschließlich der Effekte des dichten Stauseenetzes, Wasserüberleitungen und der teilweise künstlich verbundenen Teileinzugsgebiete.
The overarching goal of our proposal is to understand the regulation of organic carbon (OC) transfor-mation across terrestrial-aquatic interfaces from soil, to lotic and lentic waters, with emphasis on ephemeral streams. These systems considerably expand the terrestrial-aquatic interface and are thus potential sites for intensive OC-transformation. Despite the different environmental conditions of ter-restrial, semi-aquatic and aquatic sites, likely major factors for the transformation of OC at all sites are the quality of the organic matter, the supply with oxygen and nutrients and the water regime. We will target the effects of (1) OC quality and priming, (2) stream sediment properties that control the advective supply of hyporheic sediments with oxygen and nutrients, and (3) the water regime. The responses of sediment associated metabolic activities, C turn-over, C-flow in the microbial food web, and the combined transformations of terrestrial and aquatic OC will be quantified and characterized in complementary laboratory and field experiments. Analogous mesocosm experiments in terrestrial soil, ephemeral and perennial streams and pond shore will be conducted in the experimental Chicken Creek catchment. This research site is ideal due to a wide but well-defined terrestrial-aquatic transition zone and due to low background concentrations of labile organic carbon. The studies will benefit from new methodologies and techniques, including development of hyporheic flow path tubes and comparative assessment of soil and stream sediment respiration with methods from soil and aquatic sciences. We will combine tracer techniques to assess advective supply of sediments, respiration measurements, greenhouse gas flux measurements, isotope labeling, and isotope natural abundance studies. Our studies will contribute to the understanding of OC mineralization and thus CO2 emissions across terrestrial and aquatic systems. A deeper knowledge of OC-transformation in the terrestrial-aquatic interface is of high relevance for the modelling of carbon flow through landscapes and for the understanding of the global C cycle.
Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist die Entwicklung eines integrierten mesoskaligen Ansatzes zur Quantifizierung von neun Ökosystemleistungen (ÖSL) in Auen. Unter Berücksichtigung von Hydraulik und Ökologie werden Wirkungsgrenzen definiert. Diese ermöglichen eine Abgrenzung der Aue nach ihrer Funktionsfähigkeit in Bezug auf die Bereitstellung von ÖSL, welche für den Erhalt natürlicher Lebensgrundlagen bedeutend sind. Trotz des Wissens um die ökologische Bedeutung und die hohe Gefährdung von Auen weltweit findet eine Verschlechterung des Auenzustands weiterhin statt. Dies reduziert auch die Bereitstellung von ÖSL von Auen in unbekanntem Maß. Grund hierfür ist ein fehlendes Verständnis der Interaktionen zwischen den natürlichen Prozessen und ÖSL, den anthropogenen Einflüssen sowie dem Auenzustand. Des Weiteren werden in Auen bereitgestellte ÖSL bei der Kostenberechnung von Maßnahmen vernachlässigt, da ein integrierter übertragbarer Ansatz zur Ermittlung der ÖSL auf der relevanten räumlichen Skala, der Landschaftsebene, fehlt. Die Herausforderungen in der Ökosystemleistungsforschung liegen hauptsächlich in der Vielfalt von nicht abgestimmten Definitionen, Begrifflichkeiten und Indikatoren. Die Skalenproblematik wird zudem bei der Betrachtung der Auengrenzen als räumliche Basis deutlich. Mit der Entwicklung einer übertragbaren Methode wird in diesem Projekt erstmalig ein umfangreiches Spektrum an ÖSL (klimatische, hydrologische Leistungen, Wasserqualität und Biodiversität, Produktion von Lebensmitteln, Baumaterialien und Energie, kulturelle Leistungen, Schutz vor Naturgefahren) unter Berücksichtigung des Auenzustands in Deutschland integriert. Als räumliche Basis der Auenabgrenzung dienen die Überschwemmungsflächen häufiger Hochwasser gemäß öffentlich zugänglicher Hochwassergefahrenkarten. Die Eignung dieser rein hydraulisch bestimmten Grenzen wird durch umfangreiche ökologische Daten anderer Forschungsinstitute (Bundesanstalt für Gewässerkunde (Vegetation) und Universität Duisburg-Essen (Laufkäfer)) erstmals untersucht. Neue Indikatoren werden für jede der neun ÖSL auf der Basis von Geoinformationen und Literaturrecherchen entwickelt. Mittels Metaanalysen wird die Übertragbarkeit von ökonomischen Faustzahlen für einen Wertetransfer überprüft. Ergebnis ist eine erstmalige Berechnung des ökonomischen Gesamtwertes der Auen auf Landschaftsebene, um die Leistungen von Auen, ihren Erhalt bzw. ihre Wiederherstellung umfassender als bisher zu bewerten. Anhand von zehn bereits durchgeführten Auenrenaturierungsprojekten wird dieser Ansatz mittels einer Kosten-Nutzen-Rechnung validiert. Dieser neue integrierte Ansatz ist interdisziplinär ausgerichtet, um der Komplexität von Auen und den von ihnen erbrachten ÖSL gerecht zu werden. Mit der Inwertsetzung bieten sich breite thematische Anknüpfungspunkte. So erhalten u.a. Biologen und Hydrologen, Geowissen- und Volkswirtschaftler eine vereinheitlichte Datenbasis bisher dezentral vorliegender Informationen.
In hydrology, the relationship between water storage and flow is still fundamental in characterizing and modeling hydrological systems. However, this simplification neglects important aspects of the variability of the hydrological system, such as stable or instable states, tipping points, connectivity, etc. and influences the predictability of hydrological systems, both for extreme events as well as long-term changes. We still lack appropriate data to develop theory linking internal pattern dynamics and integral responses and therefore to identify functionally similar hydrological areas and link this to structural features. We plan to investigate the similarities and differences of the dynamic patterns of state variables and the integral response in replicas of distinct landscape units. A strategic and systematic monitoring network is planned in this project, which contributes the essential dynamic datasets to the research group to characterize EFUs and DFUs and thus significantly improving the usual approach of subdividing the landscape into static entities such as the traditional HRUs. The planned monitoring network is unique and highly innovative in its linkage of surface and subsurface observations and its spatial and temporal resolution and the centerpiece of CAOS.
Wasser-Nahrungsmittel-Energie Nexus ist zentral für eine nachhaltige Entwicklung. Deswegen benötigt die Gesellschaft ein besseres Umweltverständnis, um eine effiziente und sichere Interaktion bereitzustellen und Allgemeinwohl und Nachhaltigkeit im Ressourcenmanagement zu maximieren. Simulationen der genau kalibrierten Modelle bieten eine einzigartige Möglichkeit das Verhalten der nicht linearen Strömungen in geologischen Formationen, wie z.B. Multi-Phasen Fluss im zerklüfteten porösen Medium, gekoppelte Hydrosystem Modelle und Multi-Komponenten reaktive Transport im porösen Medium vorherzusagen. Aufgrund der Rauheit oder Fehlen der vorhandenen Daten und hohen Kosten der numerischen Simulation stellt diese Problemklasse nach wie vor eine Herausforderung auch für moderne Methoden der Quantifizierung der Unsicherheiten und maschinellen Lernens (ML) dar. Das vorliegende Projekt beabsichtigt sich mit dieser Herausforderung am Beispiel der Modellierung von Kohlenstoffdioxidspeicherung (CO2) in geologischen Formationen zu befassen. Die Problematik der CO2-Speicherung ist äußerst repräsentativ für eine große Klasse von Untergrundproblemen aufgrund der Struktur der involvierten Mehrphasenströmung. Weit verbreiteten ML Methoden scheinen geeignet zu sein, solche nicht linearen Probleme zu lösen. Klassische ML Methoden erfordern jedoch immense Datenmengen, sowohl die der Modelparameter als auch die der Model Response. Unglücklicherweise können viele Anwendungen in den Geowissenschaften nur eine limitierte Anzahl an Datensätzen bereitstellen. Im aktuellen Projekt beabsichtigen wir eine ML Methode zu entwickeln, welche dazu in der Lage sein wird die lokale Nichtlinearität des physikalischen Problems auch im Falle der nur geringen Menge der verfügbaren Daten adaptiv zu approximieren. Das Projekt beabsichtigt die Relation zwischen der Bayes'schen Inferenz und Informationstheorie in ihrer Zielorientierten Ausprägung zu nutzen, um die Nichtlinearität des physikalischen Problems unter Verwendung der Beobachtungsdaten und Simulationsergebnisse adaptiv zu lokalisieren. Dabei folgen wir dem aktuellen Trend in der stochastischen Modellreduktion und trainieren eine mathematisch optimale Response Surface unter Verwendung von limitierten Informationsmenge von dem ursprünglichen CO2 Modell in Bezug auf Beobachtungsdaten. Wir beabsichtigen eine Multi-Adaptivität Methode für polynomielles Chaos zu entwickeln, welche eine sparse, auf Bayes'schen Theorie basierende Rekonstruktion mit informationstheoretischen Argumenten erweitert. Kombination von Bayes'schen Inferenz mit Informationstheorie wird helfen die Response Surface adaptiv zu verbessern, dabei werden die relevanten Informationen iterativ in die adaptive Response Surface integriert. Wir erwarten, dass die vorgeschlagene Bayes'sche sparse2 Multi-Adaptivität Konzept einen physikalisch-basierten Weg für andere ML Methoden eröffnet, und äußerst nützlich für verschiedene umweltwissenschaftliche Probleme sein wird.
Der anthropogene Wassernutzung und der Klimawandel können drastische negative Auswirkungen auf die Ökosysteme der Seen haben. Das auffälligste Beispiel für die Fragilität der Binnengewässer ist die 'ökologische Katastrophe des Jahrhunderts' vom Aralsee. Die Folgen der Austrocknung des Aralsees sind bis heute nicht vollständig geschätzt. Eine neue Erkenntnis des Projektteams, die für die geplante Studie von zentraler Bedeutung ist, war die Entdeckung der meromiktischen (permanenten) Schichtung, die sich im größten verbleibenden Meeresbecken, dem Großen Aral, zu entwickeln begann. Unsere Beobachtungen im Zeitraum 2015-2018 weisen darauf hin, dass der See sich in einer Übergangsphase der 'Meromiktisierung' befindet, die durch die Wasserregulierung in den einströmenden Flüssen und durch klimabedingte Änderungen des regionalen Wasserhaushalts beschleunigt wird. Ein solcher Übergang deutet auf akute Änderungen im biogeochemischen Regime hin. Einige von ihnen, beispielsweise ein rascher Anstieg der Methankonzentration im See, wurde vom Projektteam bereits registriert. Um die Mechanismen der Meromiktisierung zu quantifizieren und ihre Auswirkungen auf die regionalen Skalen zu bewerten, schlagen wir vor, eine Reihe von Feldforschungsmethoden, wie Überwachung des Schichtens und des Sauerstoffregimes, direkte Schätzungen der mikrobiellen Aktivität, Methankonzentration und Emissionen sowie turbulenter Stoffübertragung über die Wassersäule, stabile Isotopenuntersuchungen des Wasserhaushaltes anzuwenden, ergänzt durch Modellierung und Daten aus Fernerkundung. Die gegenwärtige Situation im Großen Aral ermöglicht es, beispiellose Veränderungen des Ökosystems des Sees zu verfolgen, die durch die größten Bedrohungen für die Binnengewässer der Welt verursacht wurden: der zunehmende Wasserverbrauch und die klimabedingte Veränderung des Wasserbudgets. Eine zeitnahe und detaillierte Untersuchung der Transformationen im Ökosystem vom Großen Aral würde somit zu einem 'Worst-Case' -Szenario für andere große abflusslosen Seen in Trockengebieten darstellen, die von denselben anthropogenen Treibern bedroht sind. Als Ergebnis dieses Projekts wird eine Quantifizierung des derzeitigen Mischungsregimes im Großen Aral sowie eine Einschätzung der zukünftigen Tendenz beim saisonalen bis mehrjährigen Mischungsverhältnissen und deren Auswirkungen auf Biogeochemie, insbesondere Methanproduktion und Biodiversität, erwartet.
Die landwirtschaftliche Bewässerung gehört zu den größten Wasserverbrauchern weltweit. Bei hydrologischen und wasserwirtschaftlichen Studien, z.B. Klimafolgenabschätzungen, spielt die Bewässerung aufgrund ihres Einflusses auf die Wasserbilanz eine wesentliche Rolle. Der Bewässerungsbedarf kann durch höheren Bedarf an Nahrungsmitteln sowie Klimaänderungen regional stark ansteigen. Geringe Wasserverfügbarkeit kann die weitere Entwicklung der bewässerten Landwirtschaft limitieren. Daher ist eine zuverlässige Prognose des künftigen Bewässerungsbedarfs eine wesentliche Planungs- und Entscheidungsgrundlage für Landwirtschaft und Wasserwirtschaft. Die Bewässerung auf der regionalen Maßstabsebene (Flusseinzugsgebiete oder Bewässerungsprojekte von mehreren 100 km2 bis zu größer als 100.000 km2) kann in agrar-hydrologischen Flussgebietsmodellen wie SWAT simuliert werden. Vorhergehende Arbeiten zeigten sowohl das Potential, aber auch Defizite dieser Modelle im Vergleich zu Modellen auf der Feldskala. Der Modellunsicherheit in der Simulation der Bewässerungsmengen wurde auf beiden Skalen bisher wenig Beachtung geschenkt. Dies mag an vielen Faktoren liegen, u.a. auch der schlechten Verfügbarkeit von langjährigen Aufzeichnungen über die tatsächlich erfolgte Bewässerung und deren Steuerung. In diesem Vorhaben sollen sowohl die Parameterunsicherheit als auch die strukturelle Unsicherheit von agrar-hydrologischen Modellen für die Feldskala als auch die regionale Skala untersucht werden. Dazu werden Daten von langjährig betriebenen Versuchsfeldern zur Bewässerung in drei Ländern unterschiedlicher Klimazonen verwendet: Deutschland (Versuchsfelder Hamerstorf in Niedersachsen, humid), Indien (Versuchsfelder des IIT Kharagpur, Monsun) und USA (Versuchsfelder des USDA in Texas, semi-arid). Für das Modell SWAT werden Untersuchungen zur Parameterunsicherheit zu Bodenfeuchte, Bewässerung und Ertrag durchgeführt. Auf der Feldskala werden mehrere agrar-hydrologische Modelle gerechnet. Aus den Erkenntnissen der Feldskala sollen die Bewässerungsroutinen in SWAT verbessert werden, wobei auch Bodenfeuchte und Pflanzenwachstum als relevante Prozesse für die Triggerung der automatischen Bewässerung betrachtet werden. Mit dem Ziel, Prognosen des Bewässerungsbedarfs zu verbessern und mit Unsicherheitsinformationen zu versehen, wird für die Untersuchungsflächen ein Ensemble aus mehreren Modellen und mehreren Parametersätzen (Super-Ensemble) generiert. Dieses wird kalibriert und dadurch auf die besten Mitglieder reduziert (Sub-Ensemble). Anwendungen des Ensembles sind auf der langfristigen strategischen Ebene Klimafolgenschätzungen, auf der kurz- bis mittelfristigen operationellen Ebene die Bewässerungsberatung. Für letztere soll untersucht werden, ob die seit kurzem verfügbaren sub-saisonalen (S2S) Ensemblevorhersagen des ECMWF eine Verlängerung des Vorhersagezeitraums des Bewässerungsbedarfs auf bis zu einen Monat erlauben.
Der Süßwassereintrag in den Arktischen Ozean stellt einen wichtigen Antriebsmechanismus für regionale Meeresspiegeldynamik in der Arktis dar. Salzarmes Oberflächenwasser erzeugt und unterhält eine starke Schichtung im Arktischen Ozean. Diese Halokline schirmt größtenteils das kalte polare Oberflächenwasser und das Meereis von wärmerem Tiefenwasser atlantischen Ursprungs ab und verhindert so vertikale Wärmeflüsse. Veränderungen des Süßwassergehalts werden wahrscheinlich den regionalen Meeresspiegel direkt beeinflussen, aber ebenso wird eine modifizierte Ozeandynamik durch Massentransporte innerhalb der Arktis den Meeresspiegel verändern. Das hydrologische Regime des kontinentalen Abflusses unterliegt Schwankungen. Leider sind kontinuierliche Aufzeichnungen von kontinentalem Abfluss in den Arktischen Ozean zu selten, um wichtige wissenschaftliche Fragen über das Langzeitverhalten und die Entwicklung von arktischem Meeresspiegel und Klima zu bearbeiten. Neben in-situ Beobachtungen und hydrologischen Modellen eröffnen Satellitengravimetrie (GRACE) und Satellitenaltimetrie neue Möglichkeiten, die Hydrologie von großen Einzugsgebieten zu beobachten. Dies geschieht, im dem man mit diesen Fernerkundungsmethoden die Größe von Wasserspeichern in den Einzugsgebieten und Pegelstände entlang von Flüssen misst, die dann auf verschieden Arten in Abfluss umgerechnet werden können. Für Meereis-Ozeanmodelle bedeutet die Seltenheit von Abflussinformationen in der Arktis, dass der Jahresgang des Abflusses als stationär angenommen wird. In unserem Projekt werden wir diese Annahme aufheben und ein Meereis-Ozeanmodell benutzen, um den Einfluss von zeitlich variablem Abfluss auf die arktische Ozeanzirkulation und das Süßwasserbudget zu untersuchen. Das Hauptziel der Projektes ist es, die Reaktion von Meeresspiegel und Hydrographie in der Arktis auf Veränderungen des hydrologischen Regimes über borealen Einzugsgebieten abzuschätzen und zu quantifizieren. Die Projektziele tragen zur Strategie des Schwerpunktprogramms 1889 bei, indem 1)die Datensätze und Zeitreihen von hydrologischen Parametern über borealen Einzugsgebieten durch den Einsatz von geodätischen satellitengestützten Fernerkundungsmethoden (zeitliche auflösenden Gravimetrie, Satellitenaltimetrie) verbessert werden und lange und hochauflösende Zeitserien für alle großen Einzugsgebiete, die in den Arktische Ozean entleeren, erstellt werden. 2) Sensitivität von Meereis- und Ozeandynamik auf Veränderungen des Süßwasserantriebs (u.a. Abfluss) analysiert wird. 3) Modellergebnisse über Veränderungen des kontinentalen Abflusses verglichen werden mit seit 1990 beobachteter Variabilität von flüssigen Süßwassergehalt (und damit verbundenen sterischen Meeresspiegeländerungen) im Arktischen Ozean und im Nordatlantik. Nicht nur dienen diese Vergleiche der Modellbewertung, sondern sie unterstützen auch die Interpretation relativ seltener ozeangraphischer in-situ Beobachtungen.
Der Anstieg der Konzentrationen von gelöstem organischem Kohlenstoff (DOM) konnte in vielen Oberflächengewässern der temperierten Zonen der Nordhemisphäre nachgewiesen werden. Der Anstieg der DOM-Konzentrationen wird größtenteils auf die schnellere Zersetzung organischer Substanz und den erhöhten Austrag von DOM aus den Böden der Gewässereinzugsgebiete, hier speziell aus Torfmooren, in Flüsse und Seen zurückgeführt. Neben der Bedeutung des DOM im globalen Kohlenstoffkreislauf, auch im Zusammenhang mit Klimaveränderungen, verursacht die 'Gewässerverbraunung' Probleme im Zusammenhang mit der Trinkwassergewinnung. So vermindern hohe DOM-Gehalte, oft auch verbunden mit erhöhten Einträgen DOM-gebundener Schwermetalle, die Trinkwasserqualität und Erhöhen die Kosten der DOM-Entfernung. Obwohl die DOM-Zusammensetzung ein Schlüsselparameter für das Umweltverhalten von DOM ist, ist die Bedeutung seiner molekularen Zusammensetzung in Verbindung mit Landnutzung, Liefergebietsvegetation, Moorhydrologie und Schwermetalltransport kaum verstanden. Zusätzlich sind viele Waldgebiete und Moore in Mittelgebirgen aufgrund von jahrhundertelangem Bergbau oft mit Schwermetallen (Pb, Hg, Zn, etc.) und Arsen belastet. Im vorgeschlagenen Projekt soll das Phänomen des DOM-Anstiegs in Trinkwasserreservoiren am Beispiel der Eckertalsperre und seinem Liefergebiet im Harz untersucht werden. Der Anstieg der DOM-Konzentrationen wird dort bereits seit mehr als 10 Jahren beobachtet. Obwohl allgemein davon ausgegangen wird, dass eine erhöhte Torfzersetzung in Mooren die erhöhten DOM- und Schwermetallausträge verursacht, konnte dieses bisher nicht direkt nachgewiesen werden. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes soll die molekulare Zusammensetzung von DOM im Eckertalstausee und seiner Zuflüsse, die sowohl schwermetallkontaminierte Moorgebiete als auch Waldböden entwässern, über einen Zeitraum von 12 Monaten regelmäßig zu untersuchen. Ziel ist es, die saisonale und räumlich Variabilität der Austräge und Quellen von DOM und seine Rolle als Transportmedium für Spurenstoffe als Funktion der molekularen DOM-Zusammensetzung zu verstehen. Anders als in früheren Studien wird der Schwerpunkt der Bestimmung der molekularen DOM-Zusammensetzung auf Festphasenanalysen mittel Pyrolyse-GC-MS und Thermally assisted Hydrolysis and Methylation -GC-MS unterstützt von spektroskopischen Methoden und Spurenelementanalysen liegen. Das beantragte Projekt soll somit, durch die Nutzung des Eckertalstausee-Systems als natürliches Labor, durch die Identifizierung der wichtigsten DOM-Quellen und deren chemischer Variabilität eine Lücke im Verständnis des biogeochemischen Verhaltens von DOM in der Umwelt schließen.
Eine integrierte Hydrosystemmodellierung ist aufgrund verschiedener räumlicher und zeitlicher Skalen sowie der Komplexitätsstufen der beteiligten Prozesse herausfordernd. Dennoch erfordern viele hydrologische Fragestellungen eine ganzheitliche Betrachtung durch eine fundierte Prozessbeschreibung mit einer Umsetzung in Modellkonzepte. Zu diesen Fragestellungen zählen beispielsweise Risikoanalysen und Modellierungen von Sturzfluten, die sowohl hydrologische als auch hydrodynamische Prozesse beinhaltet. Das Ziel des Projekts ist die integrierte Berücksichtigung von hydrologischen, hydrogeologischen, bodenphysikalischen und hydrodynamischen Prozessen innerhalb eines einzigen Modells. Dieser neuartige Modelltyp basiert auf der numerischen Interpolationsmethodik SPH (smoothed particle hydrodynamics) in Verbindung mit innovativen Skalierungsmethoden. Im Gegensatz zu etablierten Euler basierten Methoden erfolgt die zeitliche Integration über die dynamischen Partikel und nicht über ein starres Gitter. Für hydrodynamische Fragestellungen wird die SPH Methode bereits eingesetzt, eine Einbeziehung von hydrologischen, hydrogeologischen oder bodenphysikalischen Prozessen erfolgte bisher jedoch nicht, obwohl die Methodik aufgrund der numerischen Stabilität und flexiblen Erweiterbarkeit das Potential dazu besitzt. Die Umsetzung der Prozessbeschreibungen erfolgt durch die GPU-CUDA Technik für Nvidia Grafikkarten. Die innovative dynamische Skalierung ermöglicht die Übertragbarkeit von Prozessen der Wasserbewegung auf reale hydrologische Einzugsgebiete. Diese Skalierung basiert auf Ähnlichkeits-Konzepten aus der Bodenphysik. Daten zu den Böden und der Vegetation werden in Eigenschaftsfeldern bereitgestellt, wobei die einzelnen Parameter durch Verteilungsfunktionen beschrieben werden. Die Zuordnung der Parameter zu den Partikeln durch multiple Wahrscheinlichkeiten erfolgt in Analogie zu den Variationen in natürlichen Systemen. Die Dichte und Geschwindigkeit der Partikel werden über die Eigenschaftsfelder beeinflusst, während die Partikeleigenschaften die dynamische Skalierung vorgeben. Meilenstein 1 ist ein voll funktionsfähiges Modellsystem mit einer detaillierten Prozessbeschreibung auf der Plot Skala. Berücksichtigt werden die Interaktionen des Wassers mit der Vegetationszone, der ungesättigten und gesättigten Zone. Meilenstein 2 ist auf den Transfer des Detailmodells auf größere Skalen ausgerichtet (Skalierung). Meilenstein 3 umfasst die erfolgreiche Anwendung des Modells auf der Einzugsgebietsskala samt Validierung anhand umfangreicher Beobachtungsdaten (Hühnerwasser). Nach der Validierung wird das integrierte Modellsystem für Anwendungen mit hohen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Prozessskalen eingesetzt. Das Ziel ist die Bereitstellung einer zuverlässigen und realistischen Grundlage in Bereichen wie Sturzfluten oder Bewässerung, um Schadenpotentiale oder den Bewässerungsbedarf zu beurteilen.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 649 |
| Wissenschaft | 10 |
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| Förderprogramm | 649 |
| License | Count |
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| Boden | 634 |
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