Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, mit Hilfe eines hydrologischen Computersimulationsmodells unter Anwendung von Geographischen Informationssystemen den Wasserhaushalt und das Abflußgeschehen im "Deadhorse Creek Einzugsgebiet", Colorado, USA, und des Bröl Einzugsgebietes, Rheinisches Schiefergebirge, zu simulieren. Die Studien hierfür wurden anfangs am College of Forestry and Natural Resources der Colorado State University, Fort
Collins, Colorado, USA, durchgeführt und durch ein Fulbright-Stipendium getragen. Die Fortführung der Untersuchung erfolgte im Rahmen des DFG-Sonderforschungsbereiches 350 " Wechselwirkungen kontinentaler Stoffsysteme und ihre Modellierung" an der Universität Bonn, Geographische Institute, in der Abteilung für Geo-
hydrologie.
Ich möchte ich mich hierbei bei Prof. Dr. F. M. Smith bedanken, der mir bei den Studien in Colorado als ständiger Berater zur Seite stand.
Mein besonderer Dank gilt Prof. Dr. W.- A. Flügel, Abteilung für Geohydrologie der Universität Bonn, sowohl für die Übernahme des Referates als auch für die ständige und tatkräftige Unterstützung sowie für die vielen nützlichen Diskussionen, die wesentlich zum Gelingen dieser Studie beitrugen. Als Koreferent der Arbeit darf ich mich bei Prof. Dr. Zakosek, Institut für Bodenkunde der Universität Bonn bedanken.
Mein Dank gilt auch Dr. G. H. Leavesley, U.S. Geological Survey für die großzügige Überlassung des Modells PRMS und Mrs. L. Stannard für die Unterstützung bei der Anwendung des Modells.
Dank gilt auch allen Mitarbeitern der Rocky Mountain Forest and Range Experiment Station des USDA Forest Services in Fort Collins, insbesondere Dr. Chuck Troendle und Dr. Todd Mowrer.
Allen Mitarbeitern der Abteilung Geohydrologie am Geographischen Institut, Universität Bonn, die am Gelingen der Untersuchung beitrugen, sei herzlich gedankt. Schließlich gilt mein Dank meiner Frau Barbara für ihre stetige Unterstützung und Anteilnahme bei der Erstellung dieser Untersuchung.
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Inhaltsverzeichnis
1 Vorwort
2.1 Einleitung
2.2 Problemstellung
2.3 Zielsetzung und Methodik
3 Stand der Forschung
3.1 Die Modellierung in der Hydrologie
3.2 Die Anwendung von Geographischen Informationssystemen bei der hydrologischen Modellierung
4. Das Precipitation-Runoff Modeling System (PRMS)
4.1 Modellkonzeption und theoretische Entwicklung
4.2 Simulation der Evapotranspiration
4.3 Simulation der Bodenfeuchte
4.4 Simulation des Oberflächenabfluß
4.5 Simulation des Interflows
4.6 Simulation des Grundwassers
4.7 Simulation von Schneeschmelzprozessen
4.8 Simulation des Gerinneabflußes
5 Das Datenbanksystem ANNIE
6 Untersuchte Einzugsgebiete
6.1 Physiographie des Deadhorse Creek Einzugsgebietes.
6.2 Physiographie des Bröl Einzugsgebietes
6.3 Vergleichende hydrologische Dynamik
7 Ergebnisse
7.1 Methodik und Anwendung der Geographischen Informationssysteme
7.1.1 Einsatz des GIS ARC/INFO
7.1.2 Einsatz des GIS SPANS
7.1.3 Vergleich der angewendeten Geographischen Informationssysteme
7.2 Methodik der Modellsimulationen
7.2.1 Datenaufbereitung für ANNIE und PRMS
7.2.2 Initialisierung, Kalibrierung und Parameterauswahl
7.2.3 Optimierungsverfahren von Modellparametern
7.2.4 Modellvaliderung
7.2.5 Simulation des Abflußverhaltens vom Deadhorse Creek Einzugsgebiet
7.2.6 Simulation des Abflußverhaltens vom Bröl Einzugsgebiet
8 Abschließende Diskussion
9 Zusammenfassung/Summary
10 Literatur
Anhang
1 Vorwort
Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, mit Hilfe eines hydrologischen Computersimulationsmodells unter Anwendung von Geographischen Informationssystemen den Wasserhaushalt und das Abflußgeschehen im "Deadhorse Creek Einzugsgebiet", Colorado, USA, und des Bröl Einzugsgebietes, Rheinisches Schiefergebirge, zu simulieren. Die Studien hierfür wurden anfangs am College of Forestry and Natural Resources der Colorado State University, Fort
Collins, Colorado, USA, durchgeführt und durch ein Fulbright-Stipendium getragen. Die Fortführung der Untersuchung erfolgte im Rahmen des DFG-Sonderforschungsbereiches 350 " Wechselwirkungen kontinentaler Stoffsysteme und ihre Modellierung" an der Universität Bonn, Geographische Institute, in der Abteilung für Geo- hydrologie.
Ich möchte ich mich hierbei bei Prof. Dr. F. M. Smith bedanken, der mir bei den Studien in Colorado als ständiger Berater zur Seite stand.
Mein besonderer Dank gilt Prof. Dr. W.- A. Flügel, Abteilung für Geohydrologie der Universität Bonn, sowohl für die Übernahme des Referates als auch für die ständige und tatkräftige Unterstützung sowie für die vielen nützlichen Diskussionen, die wesentlich zum Gelingen dieser Studie beitrugen. Als Koreferent der Arbeit darf ich mich bei Prof. Dr. Zakosek, Institut für Bodenkunde der Universität Bonn bedanken.
Mein Dank gilt auch Dr. G. H. Leavesley, U.S. Geological Survey für die großzügige Überlassung des Modells PRMS und Mrs. L. Stannard für die Unterstützung bei der Anwendung des Modells.
Dank gilt auch allen Mitarbeitern der Rocky Mountain Forest and Range Experiment Station des USDA Forest Services in Fort Collins, insbesondere Dr. Chuck Troendle und Dr. Todd Mowrer.
Allen Mitarbeitern der Abteilung Geohydrologie am Geographischen Institut, Universität Bonn, die am Gelingen der Untersuchung beitrugen, sei herzlich gedankt. Schließlich gilt mein Dank meiner Frau Barbara für ihre stetige Unterstützung und Anteilnahme bei der Erstellung dieser Untersuchung.
2.1 Einleitung
Genaue Kenntnisse über den Wasserkreislauf auf der Landoberfläche sind nicht nur für wasserwirtschaftliche Planungen von großem Interesse, sondern auch für Fragen der Wassergüte aufgrund der immer mehr zunehmenden Beeinträchtigungen des Rohstoffes Wasser. Der Verbrauch von Wasser für Landwirtschaft, Industrie und Haushalt steigt ständig und wird für das Jahr 2000 auf 6 * 1012 m3 ansteigen (BAUMGARTNER & LIEBSCHER, 1990). Die gesamte im hydrosphärischen Kreislauf der Erde zirkulierende Wassermenge wird auf 1 380 000 * 1012 m3 geschätzt (HÖLTING, 1989). Davon ist jedoch nur ein Bruchteil, nämlich nur 1.94 % als Süßwasser verfügbar (SCHWOERBEL, 1977).
Einen neuen bedeutenden Weg zur Erkennung und Beurteilung wichtiger Prozesse des Wasserkreislaufes einer Landschaft bieten hydrologische, wasserwirtschaftliche Computer-Modelle. Computer-Simulierung von hydrologischen Prozessen mittels dafür entwikelter Modelle hat in den letzten Jahren einen beträchtlichen Aufschwung erfahren und ist bedeutender Bestandteil innerhalb der Hydrologie und Wasserwirtschaft geworden (DOOGE, 1973). Mit Hilfe von hydrologischen Modellen ist es möglich, das Abflußgeschehen und den Wasserhaushalt einer Landschaft zu simulieren, ohne jedoch mit aufwendigen Messungen die gesamten Wasserflüsse bestimmen zu müssen.
Ein Großteil der heute verwendeten Modelle verlangt Daten über die zu beschreibende Landschaft, die oft gleichzeitig Eingaben in die hydrologischen Modelle darstellen. In den letzten Jahren haben sich hierbei Geographische Informationssysteme (GIS) als äußerst nützlich erwiesen, flächenhaft verteilte Daten einer Landoberfläche aufzunehmen, zu verarbeiten und zu analysieren (MOORE et al., 1988; STUEBE et al., 1990; MAIDMENT, 1991).
Die ersten Konzeptionen von Geographischen Informationssystemen liegen bereits mehr als 20 Jahre zurück, doch hat erst die enorme Entwicklung der Computertechnologie ihren endgültigen Durchbruch innerhalb der Ingenieur- und Geowissenschaften ermöglicht
(GOODCHILD, 1992).
Die Verknüpfung eines hydrologischen Modells mit Geographischen Informationssystemen ist Bestandteil der vorliegenden Untersuchung.
2.2 Problemstellung
Innerhalb der Hydrologie werden seit längerer Zeit hydrologische Simulationsmodelle mit den unterschiedlichsten Zielsetzungen eingesetzt (ASAE, 1988; NCGIA, 1991). Vergleichenden Untersuchungen bei der Anwendung eines Modells auf zwei unterschiedlich große Einzugsgebiete in Hoch- und Mittelgebirge sind nach meiner Kenntnis bisher noch nicht durchgeführt worden. Von zunehmenden Interesse bei der Modellierung hydrologischer Prozeße ist es aber, Kenntnisse über Eigenschaften und Sensitivität einzelner Modellparameter zu erlangen. Dadurch wird es dem Anwender u.a. ermöglicht, das Verständnis und die Modellierung einzelner hydrologischer Prozeße zu verbessern.
Die für die vorliegende Untersuchung ausgewählten Einzugsgebiete des Deadhorse Creek und der Bröl unterscheiden sich sowohl klimatologisch als auch in ihrer Größe. Sie stellen zudem Landschaftsräume dar, die vom Menschen in unterschiedlichster Weise genutzt werden. Bei Anwendung desselben Modells auf die beiden Einzugsgebiete lassen sich dadurch Rückschlüsse auf die Anwendbarkeit des Modells auf größenunterschiedliche Untersuchungsgebiete gewinnen. Ebenso kann der Frage der Übertragung (Regionalisierung) der Ergebnisse auf andere Standorte nachgegangen werden.
Über die Anwendung und Verknüpfung eines hydrologischen Modells mit einem Geographischen Informationssystem (GIS) gibt es einige Untersuchungen (HORD et al., 1976; HODGE et al., 1986; WELCH et al., 1989). Ziel dieser Untersuchungen war es eine Abgrenzung und Festsetzung von hydrologischen Teilgebieten mit Hilfe des GIS zu durchzuführen. In der vorliegenden Untersuchung wurde jedoch der Versuch unternommen, gleichzeitig relevante Eingabeparameter für das verwendete Modell mit Hilfe des GIS zu bestimmen, die erst durch die GIS-Analyse erfaßt werden konnten.
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