Das Einzugsgebiet der Fulda - Untersuchung der Methoden der Hochwasserstatistik im Zeichen des Klimawandels

Numerous studies have proven an effect of a probable climate change on the hydrosphere’s different subsystems. In the 21st century global and regional redistribution of water has to be expected and it is very likely that extreme weather phenomenon will occur more frequently. From a global view the flood situation will exacerbate. In contrast to these discoveries the classical approach of flood frequency analysis provides terms like “mean flood recurrence interval”. But for this analysis to be valid there is a need for the precondition of stationary distribution parameters which implies that the flood frequencies are constant in time. Newer approaches take into account extreme value distributions with time-dependent parameters. But the latter implies a discard of the mentioned old terminology that has been used up-to-date in engineering hydrology. On the regional scale climate change affects the hydrosphere in various ways. So, the question appears to be whether in central Europe the classical approach of flood frequency analysis is not usable anymore and whether the traditional terminology should be renewed. In the present case study hydro-meteorological time series of the Fulda catchment area (6930 km²), upstream of the gauging station Bonaforth, are analyzed for the time period 1960 to 2100. At first a distributed catchment area model (SWAT2005) is build up, calibrated and finally validated. The Edertal reservoir is regulated as well by a feedback control of the catchments output in case of low water. Due to this intricacy a special modeling strategy has been necessary: The study area is divided into three SWAT basin models and an additional physically-based reservoir model is developed. To further improve the streamflow predictions of the SWAT model, a correction by an artificial neural network (ANN) has been tested successfully which opens a new way to improve hydrological models. With this extension the calibration and validation of the SWAT model for the Fulda catchment area is improved significantly. After calibration of the model for the past 20th century observed streamflow, the SWAT model is driven by high resolution climate data of the regional model REMO using the IPCC scenarios A1B, A2, and B1, to generate future runoff time series for the 21th century for the various sub-basins in the study area. In a second step flood time series HQ(a) are derived from the 21st century runoff time series (scenarios A1B, A2, and B1). Then these flood projections are extensively tested with regard to stationarity, homogeneity and statistical independence. All these tests indicate that the SWAT-predicted 21st-century trends in the flood regime are not significant. Within the projected time the members of the flood time series are proven to be stationary and independent events. Hence, the classical stationary approach of flood frequency analysis can still be used within the Fulda catchment area, notwithstanding the fact that some regional climate change has been predicted using the IPCC scenarios. It should be noted, however, that the present results are not transferable to other catchment areas. Finally a new method is presented that enables the calculation of extreme flood statistics, even if the flood time series is non-stationary and also if the latter exhibits short- and longterm persistence. This method, which is called Flood Series Maximum Analysis here, enables the calculation of maximum design floods for a given risk- or safety level and time period.

Comparison of different methods in estimating potential evapotranspiration at Muda Irrigation Scheme of Malaysia

Evapotranspiration (ET) is a complex process in the hydrological cycle that influences the quantity of runoff and thus the irrigation water requirements. Numerous methods have been developed to estimate potential evapotranspiration (PET). Unfortunately, most of the reliable PET methods are parameter rich models and therefore, not feasible for application in data scarce regions. On the other hand, accuracy and reliability of simple PET models vary widely according to regional climate conditions. The objective of the present study was to evaluate the performance of three temperature-based and three radiation-based simple ET methods in estimating historical ET and projecting future ET at Muda Irrigation Scheme at Kedah, Malaysia. The performance was measured by comparing those methods with the parameter intensive Penman-Monteith Method. It was found that radiation based methods gave better performance compared to temperature-based methods in estimation of ET in the study area. Future ET simulated from projected climate data obtained through statistical downscaling technique also showed that radiation-based methods can project closer ET values to that projected by Penman-Monteith Method. It is expected that the study will guide in selecting suitable methods for estimating and projecting ET in accordance to availability of meteorological data.

Evaluation of water retention capacity and flood control function of the forest catchment

This research quantitatively evaluates the water retention capacity and flood control function of the forest catchments by using hydrological data of the large flood events which happened after the serious droughts. The objective sites are the Oodo Dam and the Sameura Dam catchments in Japan. The kinematic wave model, which considers saturated and unsaturated sub-surface soil zones, is used for the rainfall-runoff analysis. The result shows that possible storage volume of the Oodo Dam catchment is 162.26 MCM in 2005, while that of Samerua is 102.83 MCM in 2005 and 102.64 MCM in 2007. Flood control function of the Oodo Dam catchment is 173 mm in water depth in 2005, while the Sameura Dam catchment 114 mm in 2005 and 126 mm in 2007. This indicates that the Oodo Dam catchment has more than twice as big water capacity as its capacity (78.4 mm), while the Sameura Dam catchment has about one-fifth of the its storage capacity (693 mm).

Soil, water and nutrient loss under conventional and organic vegetable production managed in small farms

Agricultural systems with conventional tillage and intensive use of agrochemicals, especially those on high slopes and with shallow soils, have the potential to release pollutants. This study aimed at evaluating the soil, water and nutrient lost via agricultural runoff in large plots (small catchments) under conventional and organic farming of vegetables as well as under forest (control) system in a Cambisol in the Campestre catchment. Samples of runoff were collected biweekly for one year through a Coshocton wheel. The soil and water losses from the conventional farming were 218 and 6 times higher, respectively, than forest. Under organic farming the soil and water losses were 12 and 4 times higher, respectively, than forest. However the soil losses (0.5 to 114 kg ha^(−1) year^(−1)) are considered low in agronomy but environmentally represent a potential source of surface water contamination by runoff associated pollutants. The concentrations and losses of all forms of phosphorus (P) were higher in the conventional system (9.5, 0.9 and 0.3 mg L^(−1) of total P for conventional, organic and forest systems, respectively), while the organic system had the highest concentrations and losses of soluble nitrogen (4.7, 38.6 and 0.4 mg L^(−1) of NO_3-N, respectively). The percentage of bioavailable P was proportionally higher in the organic system (91% of total P lost was as bioavailable P), indicating greater potential for pollution in the short term.

Comprehensive evaluation of the WaterGAP3 model across climatic, physiographic, and anthropogenic gradients

In den letzten Jahrzehnten haben sich makroskalige hydrologische Modelle als wichtige Werkzeuge etabliert um den Zustand der globalen erneuerbaren Süßwasserressourcen flächendeckend bewerten können. Sie werden heutzutage eingesetzt um eine große Bandbreite wissenschaftlicher Fragestellungen zu beantworten, insbesondere hinsichtlich der Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf das natürliche Abflussregime oder der Auswirkungen des globalen Wandels und Klimawandels auf die Ressource Wasser. Diese Auswirkungen lassen sich durch verschiedenste wasserbezogene Kenngrößen abschätzen, wie z.B. erneuerbare (Grund-)Wasserressourcen, Hochwasserrisiko, Dürren, Wasserstress und Wasserknappheit. Die Weiterentwicklung makroskaliger hydrologischer Modelle wurde insbesondere durch stetig steigende Rechenkapazitäten begünstigt, aber auch durch die zunehmende Verfügbarkeit von Fernerkundungsdaten und abgeleiteten Datenprodukten, die genutzt werden können, um die Modelle anzutreiben und zu verbessern. Wie alle makro- bis globalskaligen Modellierungsansätze unterliegen makroskalige hydrologische Simulationen erheblichen Unsicherheiten, die (i) auf räumliche Eingabedatensätze, wie z.B. meteorologische Größen oder Landoberflächenparameter, und (ii) im Besonderen auf die (oftmals) vereinfachte Abbildung physikalischer Prozesse im Modell zurückzuführen sind. Angesichts dieser Unsicherheiten ist es unabdingbar, die tatsächliche Anwendbarkeit und Prognosefähigkeit der Modelle unter diversen klimatischen und physiographischen Bedingungen zu überprüfen. Bisher wurden die meisten Evaluierungsstudien jedoch lediglich in wenigen, großen Flusseinzugsgebieten durchgeführt oder fokussierten auf kontinentalen Wasserflüssen. Dies steht im Kontrast zu vielen Anwendungsstudien, deren Analysen und Aussagen auf simulierten Zustandsgrößen und Flüssen in deutlich feinerer räumlicher Auflösung (Gridzelle) basieren. Den Kern der Dissertation bildet eine umfangreiche Evaluierung der generellen Anwendbarkeit des globalen hydrologischen Modells WaterGAP3 für die Simulation von monatlichen Abflussregimen und Niedrig- und Hochwasserabflüssen auf Basis von mehr als 2400 Durchflussmessreihen für den Zeitraum 1958-2010. Die betrachteten Flusseinzugsgebiete repräsentieren ein breites Spektrum klimatischer und physiographischer Bedingungen, die Einzugsgebietsgröße reicht von 3000 bis zu mehreren Millionen Quadratkilometern. Die Modellevaluierung hat dabei zwei Zielsetzungen: Erstens soll die erzielte Modellgüte als Bezugswert dienen gegen den jegliche weiteren Modellverbesserungen verglichen werden können. Zweitens soll eine Methode zur diagnostischen Modellevaluierung entwickelt und getestet werden, die eindeutige Ansatzpunkte zur Modellverbesserung aufzeigen soll, falls die Modellgüte unzureichend ist. Hierzu werden komplementäre Modellgütemaße mit neun Gebietsparametern verknüpft, welche die klimatischen und physiographischen Bedingungen sowie den Grad anthropogener Beeinflussung in den einzelnen Einzugsgebieten quantifizieren. WaterGAP3 erzielt eine mittlere bis hohe Modellgüte für die Simulation von sowohl monatlichen Abflussregimen als auch Niedrig- und Hochwasserabflüssen, jedoch sind für alle betrachteten Modellgütemaße deutliche räumliche Muster erkennbar. Von den neun betrachteten Gebietseigenschaften weisen insbesondere der Ariditätsgrad und die mittlere Gebietsneigung einen starken Einfluss auf die Modellgüte auf. Das Modell tendiert zur Überschätzung des jährlichen Abflussvolumens mit steigender Aridität. Dieses Verhalten ist charakteristisch für makroskalige hydrologische Modelle und ist auf die unzureichende Abbildung von Prozessen der Abflussbildung und –konzentration in wasserlimitierten Gebieten zurückzuführen. In steilen Einzugsgebieten wird eine geringe Modellgüte hinsichtlich der Abbildung von monatlicher Abflussvariabilität und zeitlicher Dynamik festgestellt, die sich auch in der Güte der Niedrig- und Hochwassersimulation widerspiegelt. Diese Beobachtung weist auf notwendige Modellverbesserungen in Bezug auf (i) die Aufteilung des Gesamtabflusses in schnelle und verzögerte Abflusskomponente und (ii) die Berechnung der Fließgeschwindigkeit im Gerinne hin. Die im Rahmen der Dissertation entwickelte Methode zur diagnostischen Modellevaluierung durch Verknüpfung von komplementären Modellgütemaßen und Einzugsgebietseigenschaften wurde exemplarisch am Beispiel des WaterGAP3 Modells erprobt. Die Methode hat sich als effizientes Werkzeug erwiesen, um räumliche Muster in der Modellgüte zu erklären und Defizite in der Modellstruktur zu identifizieren. Die entwickelte Methode ist generell für jedes hydrologische Modell anwendbar. Sie ist jedoch insbesondere für makroskalige Modelle und multi-basin Studien relevant, da sie das Fehlen von feldspezifischen Kenntnissen und gezielten Messkampagnen, auf die üblicherweise in der Einzugsgebietsmodellierung zurückgegriffen wird, teilweise ausgleichen kann.