Entwicklung eines ökohydrologischen Modellsystems auf der Einzugsgebietsskala und Anwendung in den sommerfeuchten Tropen

Lorenz, Malte

Ziel der Dissertation war die Entwicklung eines prozessorientierten, ökohydrologischen Modellsystems, das nicht nur den Anforderungen in gemäßigten, sondern auch in tropischen Klimaten gerecht wird. Dieses war auf das in den sommerfeuchten Tropen in Südvietnam gelegene Thi Vai Einzugsgebiet anzuwenden, zu testen sowie für Prognosen zu verwenden. Als besondere Herausforderung für die ökohydrologische Modellierung in den sommerfeuchten Tropen sind die extremen meteorologischen Randbedingungen, die intensive Nutzung des Einzugsgebietes und die geringe Datenlage anzusehen. Hierzu wurde das bestehende hydrologische Modellsystem PANTA RHEI unter anderem um die Module terrestrischer, biogeochemischer Stoffkreislauf (CNP-Modul), Pflanzenwachstum und Wasserqualität erweitert. Das entwickelte ökohydrologische Modellsystem umfasst Wasserqualitätsroutinen, die eine Interaktion zwischen der aquatischen Biomasse, Sauerstoff, Nährstoffen, Detritus und Sediment berücksichtigen. Darüber hinaus werden differenzierte Stoffformen betrachtet und ein Rechenzeitschritt unter einem Tag ermöglicht. Das implementierte Wasserqualitätsmodell schließt Defizite, die bei gängigen ökohydrologischen Modellen auftreten. Daher kann über eine rein frachtbezogene Betrachtung hinausgegangen werden. Da zu Beginn der Studie nahezu keine Daten zur Wasserquantität und -qualität des Einzugsgebietes vorlagen, wurde ein Monitoringprogramm initialisiert. Unter anderem wurden die Wasserqualitätsparameter DO, NH4, NO2, NO3, PO4 sowie TSS erhoben. Die Ergebnisse der Modellkalibrierung zeigen, dass das entwickelte Modellsystem in der Lage ist, die Hydrologie und Wasserqualität der untersuchten Teileinzugsgebiete abzubilden. Eine Sensitivitätsanalyse hat gezeigt, dass die Wasserqualitätsprozesse von Stickstoff besonders durch die Prozesse auf der Landphase geprägt werden. Mittels des entwickelten CNP-Modules konnte die charakteristische Dynamik der Mineralisierung in den sommerfeuchten Tropen plausibel nachgebildet werden. Neben dem verwendeten Verfügbarkeits-Bedarfs-Ansatz, der die Zwischenspeicherung von Nährstoffen in der mikrobiellen Biomasse berücksichtigt, sind die verwendeten Bodenfeuchte-Funktionen von Bedeutung. Weitere Schlüsselkomponenten sind die Prozessgleichungen des Periphytons und die Berücksichtigung von Sedimentkompartimenten. Des Weiteren wurden weitere Anwendungsmöglichkeiten sowie die Prognosefähigkeit des Modellsystems mit veränderten Randbedingungen aufgezeigt.

The objective of the dissertation was the development of a process-based, ecohydrological model that meets the requirements of temperate and tropic climates. The developed model was applied to the catchment of the Thi Vai Estuary, which is located in the humid tropics in South Vietnam. It was the aim to test and investigate the predictive power of the developed model. Ecohydrological modeling in the humid tropics is challenging because of extreme meteorological conditions, the high anthropogenic pressure in the investigated catchment and poor data availability. For this purpose, the existing hydrological model PANTA RHEI was, among others, extended with additional modules to simulate terrestrial biochemical cycles (CNP-Module), plant growth and management as well as water quality. The developed ecohydrological model includes water quality procedures, accounting for the interaction of aquatic biomass, dissolved oxygen, nutrients, detritus and sediment. Therefore, the implemented water quality model overcomes deficits found in common ecohydrological models. Additionally differentiated substances are considered and a sub-daily calculation time step is possible. Therefore not only loads but also concentrations can be investigated. At the beginning of the study nearly no data on water quantity and quality was available for the catchment. Hence, a monitoring program was initialized. Among others, the water quality parameters DO, NH4, NO2, NO3, PO4 and TSS, were measured. The simulation results show that the developed model is capable to simulate the hydrology and water quality of the investigated catchment. A sensitivity analysis demonstrated that the water quality of nitrogen is dominated by terrestrial transformation processes. The developed CNP-module is able to simulate the characteristic dynamics of mineralization typically observed in the humid tropics. Beside the implemented Availability and Demand Approach, which is accounting for a temporary storage of nutrients in the microbial biomass, the implemented moisture functions are of particular importance. The consideration of sediment compartments and processes related to periphyton activity were key components in the water quality modeling of the catchment. Furthermore, possible applications and the predictive power of the model under altered boundary conditions were demonstrated by the application on the Thi Vai catchment.

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Lorenz, Malte: Entwicklung eines ökohydrologischen Modellsystems auf der Einzugsgebietsskala und Anwendung in den sommerfeuchten Tropen. 2015.

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