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| Viele hydrologische und bodenkundliche Fragestellungen setzen flächendeckende Informationen über den Boden- und Landschaftswasserhaushalt voraus. Aufgrund finanzieller zeitlicher und personeller Zwänge werden Messungen jedoch oft nur an Pegeln und nicht an weiteren Stellen im Einzugsgebiet vorgenommen. Ziel dieser Arbeit ist es Mess- und Auswerteverfahren zu entwickeln welche wesentlich genauere Informationen in der Fläche mit vertretbarem Aufwand liefern. Zu diesem Zweck wird ein Bottom-up-Ansatz genutzt um Untersuchungen in verschieden großen Skalenebenen (Mikro- Meso- Makroskala) vorzunehmen und diese zu kombinieren. Aus diesem Grund wurden an sechs repräsentativen Standorten im Westfläming bodenhydrologische Monitoringstationen auf landwirtschaftlich und forstwirtschaftlich genutzten Flächen installiert und entsprechende Messungen durchgeführt. Diese wurden durch hydrologische Messungen an Grundwasserpegeln sowie am Gebietsauslass des Einzugsgebiets der Grimmer Nuthe dem Pegel Strinum ergänzt. Zudem wurde für dieses Einzugsgebiet eine detaillierte hydrologische Modellierung mit dem physikalisch basierten Modell WaSiM-ETH durchgeführt. Außerdem wurden aus Gründen der Vergleichbarkeit Berechnungen der mittleren jährlichen Sickerwasserraten innerhalb der administrativen Einheit Westfläming mit dem einfachen empirischen TUB-BGR-Verfahren durchgeführt. Da für eine erfolgreiche Modellanwendung eine räumlich und zeitlich plausible Darstellung der Bodenfeuchte notwendig ist wurden skalenübergreifend für die Kalibrierung und Validierung der eingesetzten Modelle die hydrologischen und bodenhydrologischen Messungen herangezogen. Von zentraler Bedeutung war dabei stets die Frage wie hoch die Übereinstimmung gemessener und modellierter Werte an den einzelnen Monitoringstationen auf den unterschiedlich großen Skalenebenen war. Somit bildeten die Messungen im Untersuchungsgebiet die Datengrundlage und lieferten zudem ein besseres Prozessverständnis für die Modellanwendung. Durch die Kombination verschiedener Methoden und Modelle wurde im Einzugsgebiet der Grimmer Nuthe eine deutliche Verbesserung der Modellierungsergebnisse mit WaSiM-ETH erreicht insbesondere im Hinblick auf die räumliche Plausibilität. Es wurde gezeigt dass es nicht ausreicht bzw. empfehlenswert ist nur Abflussmessungen am Pegel Strinum für die Kalibrierung und Validierung von WaSiM-ETH heranzuziehen da hierdurch das hydrologische Geschehen im Einzugsgebiet nur unvollständig erfasst wird. Erst durch die Einbeziehung weiterer (boden-)hydrologischer Daten in die Modellierung (multikriterielle Kalibrierung) wurde eine räumlich plausible Darstellung der meisten Wasserhaushaltskomponenten erreicht. Dabei können im Einzugsgebiet vorliegende kleinräumige Heterogenitäten im Bodenwasserhaushalt umso besser berücksichtigt werden je mehr Bodenfeuchtemessungen im Untersuchungsgebiet vorliegen. Eine annähernd 100 %-ige Übereinstimmung zwischen gemessenen und modellierten Werten wurde nicht erreicht da auch die Messungen an den Messstandorten nur Stichproben darstellen. Die Tendenzen der gemessenen Werte wurden jedoch zufriedenstellend durch WaSiM-ETH abgebildet. Die hohen Übereinstimmungen zwischen gemessenen und modellierten Werten auf der Mikro- Meso- und Makroskala sowie zwischen den verschiedenen Modellen und Methoden belegen die Gültigkeit des neu entwickelten Ansatzes. In Zukunft wird im Rahmen der hydrologischen Modellierung der Bottom-up-Ansatz an Bedeutung gewinnen da eine immer umfassendere räumlich plausible Darstellung der Ergebnisse gefordert wird. Der Bottom-up-Ansatz ist zwar im Vergleich zu herkömmlichen Modellierungsansätzen deutlich aufwendiger führt jedoch zu einer wesentlichen Verbesserung der Modellierungsergebnisse. | |
| Many hydrological and pedological questions require spatial information on soil and landscape water budget. Since financial temporal as well as human resources are limited it is common to take measurements only at gauge stations. However additional measurements at further sites in the catchment area are frequently not performed. In order to achieve more detailed spatial information with a reasonable effort this study will focus on the development of new measurement routines and evaluation methods. For this reason a bottom-up approach is employed to conduct investigations on the micro meso and macro scale and to combine them with each other. Therefore hydropedological monitoring stations at six representative sites in the region of Westfläming were installed on agricultural and forestry use areas and measurements were subsequently taken. In addition hydrological measurements of groundwater levels as well as at the outlet of the river Grimmer Nuthe the gauge station Strinum were taken into account. Furthermore a detailed hydrological modelling with the physically based model WaSiM-ETH was conducted for this catchment area. To allow for comparison mean annual percolation rates within the administrative region of Westfläming were calculated by applying the basic empirical TUB-BGR-method. For a successful model application a plausible spatial-temporal representation of soil moisture is necessary. Consequently the measured hydrological and hydropedological values were taken into account at all scale levels for calibrating and validating the models used in this study. Key to the investigation was the question how well the measured values complied with the modelled values at the particular monitoring stations and at different scale levels. Hence the measurements in the catchment area form the data basis and provide a better understanding of the ongoing processes for the model application. By combining different methods and models a considerable improvement of the model results of WaSiM-ETH was achieved within the catchment area of the Grimmer Nuthe in particular with respect to the spatial plausibility. It was shown that it does not suffice – nor is it advisable – to solely rely on measurements of discharge at the gauge station of Strinum for calibrating and validating WaSiM-ETH as not all hydrological processes in the catchment area are represented here. By incorporating additional pedological and hydropedological data for modelling (multi-criteria calibration) a plausible spatial distribution of most components of the soil water budget was achieved. Furthermore by increasing the number of soil moisture measurements in the study area small-scale variations of the soil water budget in the catchment area were more appropriately addressed. Small differences between the measured and modelled values remained due to the fact that the measurements at the monitoring stations were only samples too. However the trends of the measured values were adequately confirmed by WaSiM-ETH. The high degree of concordance between the measured and modelled values on the micro meso and macro scale as well as between the results of the different methods and models proves the validity of the newly developed approach. In future the bottom-up approach will become more important for hydrological modelling since many questions necessitate plausible spatial data. Although the bottom-up approach is more costly in terms of time than traditional modelling approaches it considerably improves modelling results. |
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