Modelling hydrologically relevant structures and processes of the initial development phase of a man-made catchment

Hofer, Markus

Diese Dissertation behandelt die modellgestützte Untersuchung hydrologisch relevanter Strukturen und Prozesse in der initialen Entwicklungsphase des 6 ha grossen, künstlich geschaffenen Einzuggebiets ‘Hühnerwasser’ (Cottbus, Deutschland). Im Einzugsgebiet wurde ein stark nichtlinearer Zusammenhang zwischen gemessenem Niederschlag und Gesamtabfluss beobachtet. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein neues perkolationstheoretisches Modell entwickelt, um den Gebietsabfluss sowie unterirdische Fliesspfade zu simulieren. Das plötzliche Eintreten einer hohen hydrologischen Konnektivität zwischen Bodenelementen wurde als Schlu¨sselfaktor zur Erklärung des nichtlinearen Abflussverhaltens ermittelt. Die initiale Entwicklungsphase des Einzugsgebiets war gekennzeichnet von Erosionsrillenbildung durch Oberflächenabfluss. Im zweiten Teil der Arbeit wurden zwei Modelle entwickelt, um die Rillenentstehung zu beschreiben. Das erste Modell basiert auf dem Prinzip der selbstorganisierten Kritikalität (SOK). Erosion und Deposition sind dabei abhängig von der lokalen kritischen Scherspannung. Das zweite Modell basiert auf der Manning-Gleichung und wurde entwickelt, um die Resultate des SOK-Modells mit jenen eines einfachen, aber physikalisch basierten Ansatzes zu vergleichen. Beide Modelle waren in der Lage die raum-zeitliche Entwicklung der Rillen und Rilleneigenschaften (Länge, Tiefe) in der richtigen Grössenordnung darzustellen. Im dritten Teil der Arbeit wurde ein neues hydrologisches Modell konzipiert, um Nachteile gegenwärtiger Modelle anzugehen. Die Beschreibung des Wassertransportes durch diskrete Volumeneinheiten erlaubt dabei die Simulation von nichtlinearen Abflussprozessen, Transportzeiten und die Entwicklung von Makroskala-Mustern (z.B. Fliesspfaden) mit ein und derselben Modellstruktur. Erste vielversprechende Simulationen konnten Transportzeiten und die zeitliche Entwicklung von Fliesspfaden sowie die Auswirkung von Rillen auf die Quantität der Abflusskomponenten aufzeigen.

The present dissertation deals with the model-based investigation of hydrologically relevant structures and processes of the initial development phase of the 6 ha large man-made catchment ‘Chicken Creek’ located near Cottbus (Germany). A highly threshold-like relationship between measured rainfall and total runoff was revealed in the catchment. In the first part of the thesis, a new model based on Percolation Theory was developed to simulate the subsurface flow paths and the threshold-like runoff response to rainfall. The sudden establishment of a high hydrologic connectivity between soil elements was shown to be the key factor to explain the nonlinear behaviour of the rainfall-runoff response. The initial phase of catchment development was characterised by the evolution of erosion rills driven by surface runoff. In the second part of the thesis, two models were developed to describe the emergence of the erosion rills. First, we used a self-organised critical network (SOCN) approach with soil erosion and deposition governed by a local critical shear stress. Second, a model based on the Manning equation was developed to compare the results of the SOCN approach with results from a simple, but more physically-based approach. Both models were able to simulate the rill characteristics (rill network length, rill depth) in the right order of magnitude, as well as the position and temporal evolution of the erosion rills. In the third part of the thesis, a new hydrological model was conceptualised to tackle a few drawbacks of present models. By describing water transport in discrete volume units, the new model was able to represent nonlinear runoff processes, water transit times and the emergence of macro-scale patterns in the same model framework. First encouraging model simulations were able to reproduce transit times and the temporal evolution of runoff patterns, and to estimate the effect of the rills on runoff quantities.

Zitieren

Zitierform:

Hofer, Markus: Modelling hydrologically relevant structures and processes of the initial development phase of a man-made catchment. 2011.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Details anzeigen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export