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.
Gerade in der heutigen Zeit im Spannungsfeld zwischen der globalen Klimaveränderung und einer stetig wachsenden Weltbevölkerung wird es immer wichtiger, die Oberflächenprozesse quantifizieren zu können. In fünf Untersuchungsgebieten in Deutschland, Luxemburg und Spanien wurden experimentelle Geländemessmethoden zur Quantifizierung von Oberflächenabflussbildung und Bodenerosion eingesetzt. Je nach geographischer Lage der Testgebiete sind unterschiedliche Einflussgrößen wichtig für die Abflussreaktion und den Bodenabtrag. Jahreszeit und Vorfeuchte des Bodens können zu verschiedenen Systemzuständen führen und damit die Oberflächenabflussbildungs- und Bodenerosionsraten beeinflussen. Die Verwendung von experimentellen Messmethoden (Beregnungen) ermöglicht es uns, die Reaktion derselben Flächen bei unterschiedlichen Ausgangsbedingungen auf ein und dasselbe (simulierte) Niederschlagsereignis zu messen. Durch die Kombination mit Geländekartierungen und GIS-Auswertungen wird eine qualitative Übertragung der punktuellen Messergebnisse auf die Fläche ermöglicht. In den beiden Untersuchungsgebieten in Deutschland wurden häufig hydrophobe Eigenschaften der Böden festgestellt. Durch diese Hydrophobizität dringt ein Teil des Niederschlagswassers gar nicht bis zum Mineralboden durch, sondern wird in der Streuschicht gehalten oder fließt innerhalb der Streuschicht ab. Dies führt zu einer Erhöhung der Oberflächenabflussraten. Auch der Einfluss der Landnutzung auf die Intensität der Oberflächenprozesse konnte für die Testgebiete in Deutschland und Luxemburg nachgewiesen werden. Auf Wegen und Fahrspuren, sowie auf Ackerflächen wurden die höchsten Oberflächenabfluss- und Bodenabtragsraten gemessen. Aber auch hydrophobe Waldstandorte zeigten hohe Oberflächenabflussraten, allerdings keinen nennenswerten Bodenabtrag, weil die Humusauflage die Bodenoberfläche schützt. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Rinnenerosionsversuche ermöglichen es, die Effizienz natürlicher Erosionsrinnen zu messen und zu vergleichen. Durch die Verwendung von beiden Methoden, Beregnung und Rinnenerosionsversuch, können die im Rinneneinzugsgebiet gemessenen Abtragsraten und -mengen mit den Abtragswerten der Erosionsrinne selbst verglichen werden. Insgesamt kann festgestellt werden, dass die Ergebnisse der experimentellen Messungen in Kombination mit einer Kartierung der aktuellen Geomorphodynamik sowie der Auswertung großmaßstäbiger Luftbilder, eine Quantifizierung der aktuellen Prozessdynamik ermöglichen.
Physically-based distributed rainfall-runoff models as the standard analysis tools for hydro-logical processes have been used to simulate the water system in detail, which includes spa-tial patterns and temporal dynamics of hydrological variables and processes (Davison et al., 2015; Ek and Holtslag, 2004). In general, catchment models are parameterized with spatial information on soil, vegetation and topography. However, traditional approaches for eval-uation of the hydrological model performance are usually motivated with respect to dis-charge data alone. This may thus cloud model realism and hamper understanding of the catchment behavior. It is necessary to evaluate the model performance with respect to in-ternal hydrological processes within the catchment area as well as other components of wa-ter balance rather than runoff discharge at the catchment outlet only. In particular, a consid-erable amount of dynamics in a catchment occurs in the processes related to interactions of the water, soil and vegetation. Evapotranspiration process, for instance, is one of those key interactive elements, and the parameterization of soil and vegetation in water balance mod-eling strongly influences the simulation of evapotranspiration. Specifically, to parameterize the water flow in unsaturated soil zone, the functional relationships that describe the soil water retention and hydraulic conductivity characteristics are important. To define these functional relationships, Pedo-Transfer Functions (PTFs) are common to use in hydrologi-cal modeling. Opting the appropriate PTFs for the region under investigation is a crucial task in estimating the soil hydraulic parameters, but this choice in a hydrological model is often made arbitrary and without evaluating the spatial and temporal patterns of evapotran-spiration, soil moisture, and distribution and intensity of runoff processes. This may ulti-mately lead to implausible modeling results and possibly to incorrect decisions in regional water management. Therefore, the use of reliable evaluation approaches is continually re-quired to analyze the dynamics of the current interactive hydrological processes and predict the future changes in the water cycle, which eventually contributes to sustainable environ-mental planning and decisions in water management.
Remarkable endeavors have been made in development of modelling tools that provide insights into the current and future of hydrological patterns in different scales and their im-pacts on the water resources and climate changes (Doell et al., 2014; Wood et al., 2011). Although, there is a need to consider a proper balance between parameter identifiability and the model's ability to realistically represent the response of the natural system. Neverthe-less, tackling this issue entails investigation of additional information, which usually has to be elaborately assembled, for instance, by mapping the dominant runoff generation pro-cesses in the intended area, or retrieving the spatial patterns of soil moisture and evapotran-spiration by using remote sensing methods, and evaluation at a scale commensurate with hydrological model (Koch et al., 2022; Zink et al., 2018). The present work therefore aims to give insights into the modeling approaches to simulate water balance and to improve the soil and vegetation parameterization scheme in the hydrological model subject to producing more reliable spatial and temporal patterns of evapotranspiration and runoff processes in the catchment.
An important contribution to the overall body of work is a book chapter included among publications. The book chapter provides a comprehensive overview of the topic and valua-ble insights into the understanding the water balance and its estimation methods.
Moreover, the first paper aimed to evaluate the hydrological model behavior with re-spect to contribution of various sources of information. To do so, a multi-criteria evaluation metric including soft and hard data was used to define constraints on outputs of the 1-D hydrological model WaSiM-ETH. Applying this evaluation metric, we could identify the optimal soil and vegetation parameter sets that resulted in a “behavioral” forest stand water balance model. It was found out that even if simulations of transpiration and soil water con-tent are consistent with measured data, but still the dominant runoff generation processes or total water balance might be wrongly calculated. Therefore, only using an evaluation scheme which looks over different sources of data and embraces an understanding of the local controls of water loss through soil and plant, allowed us to exclude the unrealistic modeling outputs. The results suggested that we may need to question the generally accept-ed soil parameterization procedures that apply default parameter sets.
The second paper attempts to tackle the pointed model evaluation hindrance by getting down to the small-scale catchment (in Bavaria). Here, a methodology was introduced to analyze the sensitivity of the catchment water balance model to the choice of the Pedo-Transfer Functions (PTF). By varying the underlying PTFs in a calibrated and validated model, we could determine the resulting effects on the spatial distribution of soil hydraulic properties, total water balance in catchment outlet, and the spatial and temporal variation of the runoff components. Results revealed that the water distribution in the hydrologic system significantly differs amongst various PTFs. Moreover, the simulations of water balance components showed high sensitivity to the spatial distribution of soil hydraulic properties. Therefore, it was suggested that opting the PTFs in hydrological modeling should be care-fully tested by looking over the spatio-temporal distribution of simulated evapotranspira-tion and runoff generation processes, whether they are reasonably represented.
To fulfill the previous studies’ suggestions, the third paper then aims to focus on evalu-ating the hydrological model through improving the spatial representation of dominant run-off processes. It was implemented in a mesoscale catchment in southwestern Germany us-ing the hydrological model WaSiM-ETH. Dealing with the issues of inadequate spatial ob-servations for rigorous spatial model evaluation, we made use of a reference soil hydrologic map available for the study area to discern the expected dominant runoff processes across a wide range of hydrological conditions. The model was parameterized by applying 11 PTFs and run by multiple synthetic rainfall events. To compare the simulated spatial patterns to the patterns derived by digital soil map, a multiple-component spatial performance metric (SPAEF) was applied. The simulated DRPs showed a large variability with regard to land use, topography, applied rainfall rates, and the different PTFs, which highly influence the rapid runoff generation under wet conditions.
The three published manuscripts proceeded towards the model evaluation viewpoints that ultimately attain the behavioral model outputs. It was performed through obtaining information about internal hydrological processes that lead to certain model behaviors, and also about the function and sensitivity of some of the soil and vegetation parameters that may primarily influence those internal processes in a catchment. Accordingly, using this understanding on model reactions, and by setting multiple evaluation criteria, it was possi-ble to identify which parameterization could lead to behavioral model realization. This work, in fact, will contribute to solving some of the issues (e.g., spatial variability and modeling methods) identified as the 23 unsolved problems in hydrology in the 21st century (Blöschl et al., 2019). The results obtained in the present work encourage the further inves-tigations toward a comprehensive model calibration procedure considering multiple data sources simultaneously. This will enable developing the new perspectives to the current parameter estimation methods, which in essence, focus on reproducing the plausible dy-namics (spatio-temporal) of the other hydrological processes within the watershed.