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URN: urn:nbn:de:kobv:517-opus-59694
URL: http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2012/5969/


Cunha Costa, Alexandre

Analyzing and modelling of flow transmission processes in river-systems with a focus on semi-arid conditions

Wassertransferprozesse in Flusssystemen mit einem Schwerpunkt auf semi-ariden Bedingungen

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Kurzfassung in Englisch

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.

Kurzfassung in Deutsch

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.

Freie Schlagwörter (Deutsch): Trockenflüsse , Transferverluste in Flüssen , Hochwasservorhersage , Unsicherheitsanalyse , hydrologische Modellierung
Freie Schlagwörter (Englisch): Dryland Rivers , Channel Transmission Losses , Flood Forecasting , Uncertainty Analysis , Hydrological Modelling
RVK - Regensburger Verbundklassifikation: RY 92351
Institut: Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Fakultät: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: a Dissertation
Hauptberichter: Bronstert, Axel (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.05.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 21.05.2012
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