Mesoskalige Bodenwasserhaushaltsmodellierung mit Nutzung von Grundwassermessungen und satellitenbasierten Bodenfeuchtedaten

Kreye, Phillip

Thematisch siedelt sich die vorliegende Dissertation zwischen hydrologischer Forschung und Praxis an. In einem neu entwickelten Bodenmodell werden physikalische Zusammenhänge mit einer innovativen Struktur und Parametrisierung verbunden. Moderne Schnittstellen zur Kalibrierung werden nutzbar gemacht und mit einer Optimierungsstrategie verknüpft. Die sehr ökonomische Rechenzeit macht die Methode für weite Felder der hydrologischen Praxis nutzbar. Der wesentliche Aspekt der Dissertation liegt auf der Entwicklung des Bodenmodells DYVESOM (DYnamic VEgetation SOil Model), welches eine Hauptkomponente des hydrologischen Modellsystems PANTA RHEI bildet. DYVESOM ermöglicht die Bereitstellung der notwendigen Schnittstellen zur Kalibrierung am Abfluss, an der satellitenbasierten Bodenfeuchte und am Grundwasserstand. Der Einsatz von verschiedenen Systemgrößen soll zur Plausibilisierung der durch die Kalibrierung resultierenden Parameter beitragen. Durch die multi-variable Betrachtung des Systems entsteht der Bedarf an automatischen Optimierungsverfahren. Ein wichtiger Aspekt liegt in der Anwendbarkeit des verwendeten Optimierungsalgorithmus im Rahmen der praxisbezogenen hydrologischen Arbeit. Die Bearbeitung der Dissertation lässt sich in die folgenden Punkte untergliedern: - Entwicklung eines physikalisch orientierten Bodenwasserhaushaltsmodells, welches für Anwendungen in der Meso- und Makroskala ausgelegt ist. - Berücksichtigung einer differenzierten Rückkopplung der Vegetationsentwicklung auf den Bodenwasserhaushalt (Szenarienfähigkeit). - Abstrahierung der vom Modell räumlich nicht aufgelösten Heterogenität der Bodeneigenschaften (Subgrid-Variabilität). - Implementierung des Bodenwasserhaushaltsmodells in das hydrologische Modellsystem PANTA RHEI in der Programmiersprache C++. - Lexikografisches Vorgehen zur Modellkalibrierung mit einem lokalen Optimierungsverfahren (Downhill-Simplex). - Vergleichsweise durchgeführte Modellkalibrierung mit einem globalen Optimierungsverfahren (SCE-UA). Aus den Kalibrierungen mit PANTA RHEI unter Nutzung von DYVESOM über den Zeitraum von 2001-2011 im Stundenzeitschritt mit tagesbasierten meteorologischen Eingangsdaten wird gefolgert: - Der Gebietsabfluss lässt sich sehr gut an die Beobachtung anpassen. - Es gelingt eine verbesserte Anpassung an den Abfluss im Vergleich zu Kalibrierungen ohne die Berücksichtigung der Bodenfeuchte und des Grundwasserstandes. - Interne Systemgrößen werden von DYVESOM plausibel wiedergegeben.

One of the main aims of this work was to reduce the discrepancy between scientific and practical applications in the field of hydrological modelling. The developed soil model is innovative regarding concept, interfaces, and parametrisation. A pioneering strategy of optimisation was developed as well, using the model interfaces connected to modern data types. The employed strategy is easy to use, can be transferred to other model areas, and does not require high computing times. The main aspect of this dissertation is the development of the soil model DYVESOM (Dynamic VEgetation SOil Model), which is one of the primary components of the hydrological modelling system PANTA RHEI. DYVESOMs structure provides the required interfaces for the calibrations made at runoff, satellite based soil moisture, and groundwater level. The use of different system variables is supposed to contribute to the plausibility of parameters resulting from the calibration. The demand for an automated optimisation procedure arises through the multi-variable examination of the system and its new complexity. Additionally, the applicability of optimisation-algorithms in the context of real life hydrological work is guaranteed. This dissertation is structured as follows: - Development of a physically orientated soil model that is designed for hydrological applications on the meso- and macroscale. – Consideration of a spatial and temporal differentiated feedback of the development of the vegetation on the soil model (scenario-capability). – Deduction of small scale heterogeneity of the soil properties (subgrid-variability). – Implementation of the soil model into the hydrological modelling system PANTA RHEI by using the programming language C++. - New Lexicographical approach to calibrate the model with the help of a local optimisation algorithm (Downhill-Simplex). - Comparatively performed model calibration with the help of a global optimisation method (SCE-UA). Taking runoff, soil moisture and groundwater level as objectives, the calibration with the help of the lexicographical calibration strategy showed the following results: - It is possible to fit the simulated runoff very well to the observation. - The involvement of additional observation sources leads to a much higher plausibility of internal system behaviour like soil moisture and groundwater levels, which are plausibly simulated and are of high quality.

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Kreye, Phillip: Mesoskalige Bodenwasserhaushaltsmodellierung mit Nutzung von Grundwassermessungen und satellitenbasierten Bodenfeuchtedaten. 2015.

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