Abflusskonzentration in mesoskaligen Einzugsgebieten unter Berücksichtigung des Sickerraumes

Abstract

Die physikalisch-basierte Modellierung der Abflusskonzentrationsprozesse in einem Einzugsgebiet wird üblicherweise auf die Modellierung von drei strickt von einander abgetrennten Teilen, dem Boden- (Wurzel-) Raum, dem Grundwasserraum und den Oberflächengewässern, reduziert. Dieses Schema vernachlässigt allerdings, dass sich zwischen dem Boden- und dem Grundwasserraum ein weiterer Bereich befindet, der hier als Sickerraum bezeichnet wird und der aus demjenigen Teil der ungesättigten Zone besteht, der nicht dem Bodenraum zugerechnet wird. Für größere Einzugsgebiete treten im Sickerraum, der bis zu mehreren hundert Metern mächtig sein kann, auch kleinere schwebende gesättigte Bereiche auf, was dazu führt, dass die Strömungsrichtung im Sickerraum nicht nur vertikal, sondern auch horizontal ist. Die Vernachlässigung der dort stattfindenden Prozesse schränkt die Aussagekraft des Gesamtmodells deutlich ein. Deshalb wurde die Modellierung der Abflusskonzentration unter Berücksichtigung der hydrologischen Rolle des Sickerraumes als Hauptthema dieser Arbeit ausgewählt. Untersuchungseinheiten sind das Einzugsgebiet der Oberen Donau (bis zum Pegel Passau-Achleiten, 77.000 km2), das ein Forschungschwerpunkt des BMBF-Projektverbundes GLOWA ist, und zwei ausgewählte Teileinzugsgebiete(Ammer und Naab). Der erste Schritt ist eine umfassende Untersuchung über die Anwendbarkeit von Ganglinienanalyseverfahren für die Abtrennung des Grundwasser- und Sickerraumabflusses von der gemessenen Gesamtabflussganglinie. Ein numerisches Programm, das erstmals zwölf relevante Ganglinienanalyseverfahren in einem einheitlichen Rahmen implementiert, wurde hier entwickelt und auf Ganglinien aus dem gesamten Gebiet der Oberen Donau angewandt. Die Analyse der Ergebnisse, ihrer Abhängigkeit von der Raum und Zeitskala, sowie ihrer Verbindung zu den Gebietseigenschaften führte zu neuen Erkenntnissen über die Verfahren. Eine Schätzung des Grundwasser- und Sickerraumabflusses konnte damit für jedes Teileinzugsgebiet berechnet werden. Die Analyse zeigt aber auch, dass die Verfahren mit Inkonsistenzen und Willkürlichkeiten behaftet sind, was nicht zu einer Anwendung ihrer Ergebnisse für quantitative Aussagen ermutigt. Im zweiten Schritt wurde ein neues Modellkonzept, das die explizite Betrachtung des Sickerraumes ermöglicht und damit die Modellierungslücke zwischen dem Bodenwasserhaushalts- und dem Grundwassermodell schließt, entwickelt, implementiert und auf das Gebiet der Ammer angewandt. Nicht nur die Modellgüte, sondern auch die Unsicherheit der Modellergebnisse und bei der Bestimmung der Modellparameter, die generalisierte und einzelne Sensitivität des Modells im Parameterraum, sowie die Wechselbeziehungen zwischen den Modellparametern wurden ausführlich untersucht. Mehrere Modellversionen mit unterschiedlichen Graden an Konzeptualisierung wurden dabei verglichen. Trotz der allgemein guten Anpassung der Modellergebnisse an die Modelldaten, konnten anhand der inversen Modellierung auf Grund der strukturellen Unsicherheit des Modells und der Eingangsdaten keine gut bestimmten Parameterwerte für den Sickerraum berechnet werden. Das führte dazu, dass interne Modellergebnisse wie der Grundwasserabfluss und der Sickerraumabfluss auch von einer großen Unsicherheit behaftet waren. Die allgemeine Erkenntnis ist, dass nur die Modellergebnisse, die anhand von Messdaten direkt geprüft werden können, als validiert und aussagekraftig gelten sollten. Um das Problem der strukturellen Unsicherheit zu lösen, wurde in einem dritten Schritt die Methode der inversen Modellierung erweitert und verbessert. Ein Regionalisierungsverfahren, dass die Modellparameter mit den Gebietseigenschaften mit Hilfe von linearen Beziehungen verbindet, wurde in den Kalibrierungsprozess direkt integriert. Der Ansatz wurde auf die Einzugsgebiete der Ammer und der Naab angewandt und lieferte gute Modellergebnisse und führte gleichzeitig zu einer viel geringeren strukturellen Unsicherheit des Modells. Durch die Interpretation der linearen Beziehungen konnten auch Schlüsse über die physikalische Plausibilität des Modells gezogen werden.

he physically-based modelling of discharge concentration processes in a catchment is usually reduced to the modelling of three separated systems: the soil (root) zone, the groundwater zone and the surface waters. This 'classical' scheme ignores however that in catchments with a strong surface morphology the soil zone and the regional groundwater zone may be separated by a space, which can be several hundreds meters thick and where vertical percolation and horizontal flow caused by small scale formations of lower permeability can have a significant influence on the water balance. The separation inside the percolation zone between the vertical component, which ends as groundwater recharge and the horizontal component, exfiltrating as interflow to the surface, can no longer be neglected if the objective is to obtain an accurate integrated representation of the hydrological processes. The main aim of this dissertation is to investigate the hydrological modelling of the discharge concentration for mesoscale catchments with the incorporation of the percolation zone in a coupled water balance model. The work focuses on the Upper Danube catchment (up to gauge Passau, 77.000 km2) and on two selected test subcatchments (Ammer and Naab) and was carried out in the framework of the GLOWA-Danube project. The first step is a detailed investigation on the applicability of hydrograph analysis methods to separate the groundwater discharge and the interflow from the measured discharge curve. A numerical program was developed, implementing twelve relevant hydrograph analysis methods, which were then applied on hydrographs from the entire Upper Danube catchment. The analysis of the results, of their dependency on the time and the space scale and of their correlation to the catchment’s physical properties lead to new insights about the methods. The groundwater discharge and the interflow could then be estimated for every subcatchment. The analysis showed however that the methods are characterized by inconsistencies and by arbitrariness, which calls for caution when working with them. In the second step a new model concept, which allows the explicit consideration of the percolation zone, was developed, implemented and applied on the Ammer catchment. Not only the quality of the model results was studied, but also the uncertainty of the results and of the parameters, the general sensitivity of the model in the parameter space and the compensation relationships between parameters. Several model versions with different conceptuality degrees were compared. Despite the general good agreement between model results and measured data, it was not possible to obtain well-identified parameter values for the percolation zone using the inverse modelling procedure due to the model’s structural uncertainty. The consequence was that internal model results, such as the groundwater discharge and the interflow, were also characterized by a large uncertainty. Thus it follows that only those results, which can be directly compared and tested to measured data, should be seen as validated and significant. In a third step to solve the problem of the model’s structural uncertainty the inverse modelling procedure was expanded and improved. A regionalisation method, which connects the model parameters with the physical properties of the catchments using linear relationships, was integrated in the calibration process. The approach was applied on the Ammer and Naab catchments and lead to a good agreement with the measured data and to a much lower model uncertainty. The physical interpretation of the linear relationship allowed also testing the physical plausibility of the model.