SSF Model Benchmarking: Bewertung und Optimierung der Parametrisierung des Zwischenabflusses in hydrologischen Modellen auf der Einzugsgebietsskale

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Hartmann; Dr. Christian Reinhardt-Imjela
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453746323

Hydrologische Modelle, die für Einzugsgebietsskale entwickelt wurden, simulieren schnelle Abflussprozesse in der ungesättigten Bodenzone (Subsurface Stormflow, SSF) über sehr unterschiedliche mathematische Verfahren, deren Spektrum von konzeptionellen (Einzellinearspeicher) bis zu vereinfachten physikalisch-basierten Ansätzen reicht. Gemeinsam ist diesen Methoden, dass aufgrund fehlender Messdaten zur raum-zeitlichen Dynamik des SSF einschließlich Zeitreihen die zugehörigen Modellparameter im Rahmen der Modellkalibrierung ermittelt werden müssen, die wiederum anhand von gemessenen Pegelzeitreihen (Gesamtabfluss) erfolgt. Problematisch ist dabei, dass Abflussganglinien mit hohen Gütemaßen (z.B. Nash-Sutcliffe Koeffizient) simuliert werden können, obwohl beispielsweise das simulierte Zusammenspiel der einzelnen Abflusskomponenten (Oberflächenabfluss, SSF, Grundwasserabfluss etc.) nicht den tatsächlichen hydrologischen Bedingungen entspricht bzw. nicht validierbar ist. Offen bleibt deshalb, wie gut die bestehenden Modellansätze die SSF Dynamik tatsächlich abbilden können. Alle bisherigen Vergleichsstudien konzentrieren sich zudem entweder auf ein spezifisches Einzugsgebiet oder einzelne hydrologischen Modelle. Hinzu kommt, dass im Verständnis von SSF als Prozess nach wie vor viele Zusammenhänge ungeklärt sind. Beide Faktoren haben bislang eine systematische Bewertung der unterschiedlichen Modellkonzepte und der enthaltenen SSF Routinen über Einzugsgebiete mit unterschiedlichen klimatischen und hydrologischen Eigenschaften hinweg verhindert. Um diese Wissenslücke zu schließen, werden die Eignung von zwei flächenkonzentrierten (lumped models) und drei flächendetailierten Modellen (distributed models) zur Simulation von SSF-Prozessen in den vier Einzugsgebieten der Forschungsgruppe untersucht. Dazu werden die Modelle zunächst anhand von Pegelzeitreihen kalibriert, um anhand einer systematischen Sensitivitätsanalyse die SSF relevanten Modellparameter zu bestimmen. Da Abflussdaten jedoch ein Mischsignal unterschiedlicher Prozesse darstellen, werden in einem zweiten Schritt die im Rahmen der Forschungsgruppe in den Einzugsgebieten neu erhobenen SSF Proxydaten in die Kalibrierung einbezogen (multi-objective calibration), um zu bewerten, wie realistisch die verwendeten Modellkonzepte SSF Prozesse tatsächlich abbilden, und darüber hinaus mögliche Defizite in den mathematischen Prozessbeschreibungen der Modelle aufzuzeigen. In einem letzten Schritt werden die anhand der Proxydaten neu kalibrierten Modelle genutzt, um beispielsweise Beziehungen zwischen den Schwellenwerten für das Einsetzen von SSF Prozessen und der Speicherdynamik im Einzugsgebiet unter unterschiedlichen hydro-klimatischen Rahmenbedingungen (z.B. trockene oder feuchte Bedingungen) zu untersuchen und damit im Rahmen der Forschungsgruppe zu einem verbesserten Verständnis der Dynamik von SSF Prozessen auf der Einzugsgebietsskale beizutragen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5288: Schnell und unsichtbar: Zwischenabfluss durch einen interdisziplinären Multi-Standort-Ansatz bezwingen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Schweiz
• Mitverantwortliche: Dr. Oliver Gronz; Professor Dr. Thorsten Wagener
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Francesca Pianosi; Professor Dr. Jan Seibert