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Modellierung von Bodenwasserhaushalt und Abflussprozessen auf der Plotskale in Abhängigkeit von Substrat und Landnutzung

Modelling soil water content and runoff processes on the plot scale as a function of substrate and land use

  • Auf der Grundlage von bodenphysikalischen Standortdaten wurden mit dem physikalisch basierten Modell CATFLOW Bodenwassergehalte und Abflussprozesse von verschiedenen Standorten im Mesozoikum der Trierer Bucht auf der Plotskale simuliert. Die Standorte unterscheiden sich durch das Ausgangssubstrat der Bodenbildung (lehmig-tonig, schluffig-sandig) und die Landnutzung (Acker, Grünland, Wald). Für die Modellvalidierung standen wöchentliche Bodenwassergehaltsmessungen, monatliche Sickerwassersummen aus Lysimetermessungen und Oberflächen- und Zwischenabflusskurven von Beregnungsversuchen zur Verfügung. Ziel der Arbeit ist es zu untersuchen, inwieweit Retentionseigenschaften, Abflussprozesse und Abflussmengen aus Standortdaten ohne eine weitere Kalibrierung des Modells abgeleitet werden können. Besonderer Wert wird dabei auf die Parametrisierung des Bodens gelegt. Das Modell simuliert den Wassertransport in der Bodenmatrix über die zweidimensionale Richardsgleichung und den schnellen Wassertransport in Makroporen über ein einfaches Bulk-Modell. Daneben werden Oberflächenrauhigkeit, Durchwurzelungstiefe und Vegetationsbedeckung im Jahresgang berücksichtigt. Um den Einfluss von unterschiedlichen Parametrisierungen des Bodens aufzuzeigen, werden verschiedene Parametrisierungsvarianten untersucht. Die van Genuchten/Mualem-Parameter, welche die Retentions- und Leitfähigkeitseigenschaften der einzelnen Bodenhorizonte beschreiben, wurden zum einen über die Bodenart und Trockenrohdichte bestimmt und zum anderen über die Anpassung von Retentionskurven an im Labor bestimmte Punkte der Wasserspannungskurve ermittelt. Die Ergebnisse der Simulationen für die Standorte mit Bodenfeuchtemessung zeigen, dass mit dem Modell der Jahresgang der Bodenfeuchte prinzipiell nachvollzogen werden kann. Jedoch führt keine der drei Parametrisierungsvarianten zu einer eindeutigen Überlegenheit bei der Simulationsgüte. Um neben den üblichen Gütemaßen ein weiteres Kriterium für den Erfolg oder Misserfolg einer Standortsimulation zu gewinnen, wurden die Simulationsergebnisse mit den Messwerten der anderen Standorte verglichen. An vier von zehn Standorten führt der Vergleich der Messwerte mit den Simulationen von anderen Standorten zu einer deutlich besseren Übereinstimmung als die Simulation für diesen Standort. Die Ergebnisse der Simulationen der Lysimeterstandorte zeigen, dass mit dem Makroporenansatz ein schneller Wasserfluss im Sommer nicht simuliert werden kann, da das "Anspringen" der Makroporen im Modellkonzept an den Bodenwassergehalt geknüpft ist. Auch hier wurden die Simulationsergebnisse mit den Messwerten der anderen Standorte verglichen. Für fünf von acht Standorten konnte mit den simulierten Sickerwassermengen von anderen Standorten eine bessere Übereinstimmung erzielt werden. Die Simulation der Sickerwassermenge aus Lysimetern scheint daher auf Grundlage der vorliegenden Datenbasis den jeweiligen Standort nicht in seiner Einzigartigkeit charakterisieren zu können. Die mit den Beregnungsversuchen bestimmten Abflussprozesse konnten für die Mehrheit der 18 Standorte mit dem Modell abgebildet werden. Der Oberflächenabfluss konnte für Standorte, die nicht zur Verschlämmung neigen, unter Berücksichtigung von Infiltrationsdaten sehr gut nachgezeichnet werden. Zwischenabfluss wird zwar simuliert, bleibt aber auf der Plotskale in Dynamik und Abflussmenge hinter dem Realsystem zurück. Mit der Untersuchung konnte gezeigt werden, dass sich sowohl die zeitliche Entwicklung des Bodenwassergehaltes, als auch die gemessenen Abflussprozesse allein über die Standortdaten, ohne eine weitere Kalibrierung des Modells, abbilden lassen. Die Trennschärfe der Modellierung ist bei Standorten mit relativ ähnlicher bodenphysikalischer Ausstattung begrenzt. Andererseits müssen aber auch Messungenauigkeiten, besonders bei der thermogravimetrischen Bestimmung des Bodenwassergehaltes, berücksichtigt werden. Eine standortbezogene Aussage über Retentions- und Abflussverhalten ist über eine Simulation möglich, jedoch bleibt die quantitative Aussagekraft begrenzt.
  • Based on soil physical data soil water content and runoff processes in the mesozoic basin of Trier were simulated with the physically based model CATFLOW on plot scale. The included sites differ in substrate (clay loam and silty sand) and land use (arable land, grassland, forest). For model validation data from weekly soil water measurements, monthly leachate totals from lysimeters, and surface and subsurface runoff data from sprinkling experiments were included. The aim of this work was to examine how retention characteristics, runoff processes and runoff volumes can be derived from plot data without further model calibration. Special emphasis was placed on the parameterization of the soil. The model simulates water transport in the soil matrix employing the two-dimensional Richards equation. Fast water transport in macropores is modelled employing a simple bulk model. Surface texture, rooting depth and vegetation cover were considered across seasons. Different parameterization strategies of the soil were carried out by various derivations of van Genucheten/Mualem parameters, which describe retention and conductivity properties of the individual soil horizons. These were determined from grain size distribution and bulk density as well as from the adaptation of retention curves derived from specific points of laboratory measured water retentions. The results show that the model is able to simulate the dynamics of soil water during a six year period in general. But none of the three tested parameterization variants perform to a clear superiority. In addition to the usual efficiency coefficients a second criterion for the success of the simulation was tested. All simulation results were cross-checked with measured values of all other plots. On four out of ten sites measurements fit much better with simulations from other plots. The leachate simulations of eight lysimeter sites show that especially summer leachate can not be simulated due to the applied macropore concept. Since in this approach macropore flow is linked to soil water content no bypass flow can occur in dry soils. Again, all simulation results were cross-checked with the measured values of all lysimeter sites. For five out of eight sites the simulated leachate volumes from other sites achieve a better match. On the basis of the available data the model is not able to characterize the site-specific situation. The observed runoff processes could be simulated for most of the 18 sites with the model. Especially surface runoff on sites that are not prone to silting could be simulated in a good accordance with measurements if conductivity data derived from infiltration experiments were considered in the parameterisation. If interflow occurred the model was not able to represent the total dynamic and the volume of subsurface flow compared to results of the sprinkling experiments. The study shows on the one hand that both the temporal evolution of the soil water content as well as the measured runoff processes can by simulated without further calibration on the basis of soil physical data and land use data. The selectivity of the simulations is limited on sites with relatively similar soil physical configuration. On the other hand measurement inaccuracies, especially in the thermo gravimetric determination of the soil water content, must be taken into account. A site-specific representation of retention and run off behaviour is possible with simulation studies; however, the quantitative validity remains limited.

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Metadaten
Author:Tilmann Sauer
URN:urn:nbn:de:hbz:385-5598
Advisor:Johannes B. Ries
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2010/01/07
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2007/12/12
Release Date:2010/01/07
Tag:Abflussprozesse; Bodenhydrologie; Bodenwasserhaushalt; CATFLOW; Simulation
CATFLOW; land use; runoff processes; soil hydrology; soil water
GND Keyword:Abfluss; Bodenwasser; Landnutzung; Modellierung; Substrat <Boden>
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften

$Rev: 13581 $