Die Zusammenführung hydrologischer Teilprozesse innerhalb hydrologischer Modelle ist von großem Interesse für praxisorientierte Aufgabenstellungen. Zu den Herausforderungen der Prozesskopplung zählen auf der einen Seite die räumlichen und zeitlichen Skalenunterschiede und auf der anderen Seite die unterschiedlich ausgeprägten Detailgrade der Prozessbeschreibungen. Der Forschungsschwerpunkt der vorliegenden Arbeit zielte auf die Entwicklung bodenphysikalischer Modellansätze als Grundlage für zukünftige integrative Modellanwendungen. Es wurde das gesamte Korngrößenspektrum, abgebildet durch Texturkombinationen aus Sand-, Schluff- und Tonanteilen, hinsichtlich der hydraulischen Ähnlichkeit mit einem k-Means-Cluster-Algorithmus in 15 Cluster eingeteilt. Es zeigte sich, dass das Muster der ermittelten bodenhydraulischen Cluster erheblich von den klassischen, auf Textur basierenden Bodenarten nach dem USDA-Bodendreieck abwich. Auf Grundlage dieser Cluster-Analysen wurden deterministisch-stochastische Modellansätze für die Beschreibung der Bodenwasserbewegung entwickelt, die auf die speziellen Anforderungen der hydrologischen Modellierung ausgerichtet wurden. Vereinfachte deterministische Bewegungsgleichungen wurden dafür mit einer stochastischen Komponente kombiniert. Im Ergebnis wurden neue Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen hergeleitet, die die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Wassers für einen vorgegebenen Niederschlag in Raum und Zeit durch physikalisch bestimmbare Verteilungsparameter abbilden. Als Referenz für die Parameteroptimierung dienten Lösungen der Richards-Gleichung. Es wurden Bezüge zur Brown’schen Molekularbewegung, den Langevin-Gleichungen und den Fokker-Planck-Gleichungen aufgezeigt. Um der natürlichen Streuung der Bodenwassercharakteristik innerhalb einer Bodenart Rechnung zu tragen, wurde der entwickelte deterministisch-stochastische Modellansatz mit einer Varianzfortpflanzung kombiniert. Das Modell wurde dafür nicht nur an die Durchbruchskurven der Richards-Lösung, sondern auch an die empirische Varianz der Ganglinien innerhalb eines Clusters angepasst. Das optimierte deterministisch-stochastische Modell wurde weiterhin mit einer Stofftransportmodellierung für die Simulation der Bodenwasserbewegung kombiniert. Der Modellansatz ist massenkonservativ, stabil, robust und liefert auf unterschiedlichen zeitlichen Skalen plausible Ergebnisse. Der deterministisch-stochastische Ansatz weist Parallelen zu der allgemeinen Konvektions-Diffusionsgleichung auf und hält darüber hinaus Potential für eine mathematische Abgrenzung zwischen der molekularen Diffusion und der hydrodynamischen Dispersion bereit. So konnte in der vorliegenden Arbeit die von Einstein und auch Smoluchowski beschriebene Diffusion durch eine Varianzfortpflanzung in eine zeitabhängige Netto-Streuung der gerichteten 1-D-Geschwindigkeiten überführt werden. Es wurde vorgeschlagen, die Zeit als integrativen Bestandteil der Varianz bei der Addition der beiden Streuungskomponenten (DDiff und DDisp) zu berücksichtigen. Eine Parameteranpassung des neuen Ansatzes an experimentelle Tracerdaten einer veröffentlichten Studie zeigten sehr gute Übereinstimmungen der longitudinalen Stofftransport-Charakteristik in einem Fließgewässer im Gegensatz zu der klassischen Parametrisierung der Konvektions-Diffusionsgleichung.


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    Titel :

    Deterministisch-stochastische Modellansätze als Grundlage hydrologischer Prozessbeschreibungen


    Weitere Titelangaben:

    Deterministic-stochastic model approaches as a basis for hydrological process descriptions


    Beteiligte:
    Gelleszun, Marlene (Autor:in) / Universitätsbibliothek Braunschweig (Gastgebende Institution) / Meon, Günter (Akademische:r Betreuer:in) / Hinkelmann, Reinhard (Akademische:r Betreuer:in)

    Erscheinungsdatum :

    2022



    Medientyp :

    Sonstige


    Format :

    Elektronische Ressource


    Sprache :

    Deutsch


    Klassifikation :

    DDC:    627



    Kombination hydrologischer Modellansätze in der operationellen Wasserstandsvorhersage am Beispiel des Moseleinzugsgebiets

    Meißner, Dennis / Klein, Bastian / Lisniak, Dmytro et al. | HENRY – Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) | 2013

    Freier Zugriff


    Rheinchronik 1999. Ein hydrologischer Rückblick.

    Tippner, Hans-Peter / Mürlebach, Michael / Rätz, Walter | HENRY – Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) | 2000

    Freier Zugriff