On synergies between spatially-distributed, physically-based simulations and field observations in catchment hydrology

Titelangaben

Glaser, Barbara:
On synergies between spatially-distributed, physically-based simulations and field observations in catchment hydrology.
Bayreuth , 2020 . - V, 149 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

A fundamental research objective in catchment hydrology is to investigate and understand the hydromechanical processes occurring within natural watersheds. A wide variety of different observation and field methods exists for providing insights into the hydrological functioning of hillslopes and catchments. However, all existing methods are limited in their spatial or temporal application. Consequently, there are limitations in the understanding on if and how the occurrence and relevance of different hydrological processes vary in space and time. A possibility to overcome the methodological limitations of field measurements is the complementary use of hydrological models. Yet hydrological models are only rarely used in real synergy with field observations and the existing studies mostly apply conceptual, bucket-type models, which are not particularly suitable for investigating the spatio-temporal variability and relevance of different processes. This dissertation presents two examples of applying a spatially-distributed, physically-based hydrological model in synergy with various conventional and innovative field data. The first part of the thesis (Study 1) focuses on the relevance of preferential flow as commonly observed in plot-scale field experiments for explaining the long-term response of catchment discharge and soil moisture. The study assesses the importance of the plot-scale field observations by applying a spatially-distributed, physically-based model and comparing the results of simulations with and without preferential flow parametrisations at plot and catchment scale against appropriate field data. The second part of the thesis (Study 2 - 4) addresses the intra-catchment variability of the dynamic development of surface saturation. It consists of three consecutive observation and simulation studies, following the idea to first employ a comprehensive data set of field observations to verify the consistency of the internal structures and processes of a model with reality before using the model to support the interpretation and overcome the limitations of field investigations. The first of the three studies (Study 2) assesses the practicability of applying thermal infrared imagery during different seasons and hydrological conditions and at various locations across a catchment to map and quantify surface saturation. The following study (Study 3) applies a spatially-distributed, physically-based catchment model in combination with the field data set collected in Study 2. On the one hand, it evaluates the capability of the model to reproduce the intra-catchment variability of the spatial patterns and temporal dynamics of surface saturation. On the other hand, the identified matches and mismatches between observation data and simulation results are used to infer which key factors control the spatio-temporal occurrence of surface saturation. The last study (Study 4) uses the comprehensively validated model of Study 3 to analyse the generation of surface saturation in space and time with regards to the immediate mechanism of water delivery and to different geographical source areas. All studies were carried out for the 42 ha forested Weierbach catchment, a well-established research catchment in western Luxembourg with complex hydrological behaviour. The simulations were performed with the integrated surface-subsurface model HydroGeoSphere. Study 1 revealed that small-scale observations of preferential flow are not informative to infer the influence of preferential flow paths at catchment scale. Although vertical preferential flow paths needed to be considered to simulate the plot-scale field observations, it was not suitable to apply the appropriate parametrisations at catchment scale. Instead, fast lateral flow paths showed to outweigh the role of vertical preferential flow at the catchment scale. Study 2 showed that thermal infrared imagery is a reliable method for collecting a comprehensive data set of surface saturation patterns and dynamics when considering some precautions for the image acquisition and post-processing. Study 3 demonstrated that the model can mostly reproduce the observed surface saturation patterns and dynamics, including locally varying patterns of surface saturation occurrence and varying relations of the local saturation extent to catchment discharge. The model performance suggested that the occurrence of surface saturation was mainly conditioned by exfiltration of groundwater into micro-topographic depressions, but that there must be additional influencing factors and processes, such as local heterogeneities in the subsurface, varying influences of precipitation or upstream water, and hysteretic formation processes. Study 4 proved that the surface saturation in the Weierbach catchment is largely composed of water that is delivered to the riparian zone and streambed by return flow from the subsurface. The spatio-temporal variability of the mixing of water from different subsurface stores and contributions from other water sources such as overland flow or precipitation showed to be smaller than expected. Overall, the results of the different studies demonstrated the great potential of synergies between spatially-distributed, physically-based modelling and field observations to substantially advance current process understanding in catchment hydrology, both for specific study sites and for general questions and conceptual perceptions.

Abstract in weiterer Sprache

Ein wesentlicher Schwerpunkt im Forschungsbereich der Einzugsgebietshydrologie liegt darauf, die hydromechanischen Prozesse zu untersuchen und zu verstehen, die in natürlichen Wassereinzugsgebieten auftreten. Um Einblicke in die hydrologische Funktionsweise von Hängen und Einzugsgebieten zu erhalten, steht eine Vielzahl verschiedener Observierungs- und Feldmethoden zur Verfügung. Allerdings ist die Anwendbarkeit aller existierenden Messmethoden räumlich oder zeitlich eingeschränkt. Infolgedessen ist auch das Wissen darüber begrenzt, ob und wie sich das Auftreten und die Relevanz verschiedener hydrologischer Prozesse in Zeit und Raum verändern. Eine Möglichkeit, die methodischen Grenzen von Feldbeobachtungen zu überwinden, liegt in der ergänzenden Verwendung hydrologischer Modelle. Jedoch werden hydrologische Modelle nur selten in echter Synergie mit Feldbeobachtungen genutzt und in den existierenden Studien werden zumeist konzeptionelle Speichermodelle verwendet, welche sich nicht besonders gut dafür eignen, die raumzeitliche Variabilität und Relevanz verschiedener Prozesse zu untersuchen. Die vorliegende Dissertation präsentiert zwei Beispiele für die Anwendung räumlich differenzierter, physikalisch basierter hydrologischer Modelle in Synergie mit verschiedenen herkömmlichen und innovativen Felddaten. Der erste Teil der Arbeit (Studie 1) richtet das Augenmerk auf die Relevanz des häufig in kleinräumigen Feldexperimenten beobachteten präferentiellen Flusses für das Verhalten von Abfluss und Bodenfeuchte auf Einzugsgebietsebene. Die Studie bewertet die Bedeutsamkeit der kleinräumigen Feldbeobachtungen mit Hilfe der Verwendung eines räumlich differenzierten, physikalisch basierten Modells, indem die Ergebnisse von Simulationen mit und ohne Parametrisierungen des präferentiellen Flusses auf kleiner räumlicher Skala und auf Einzugsgebietsebene mit entsprechenden Felddaten verglichen werden. Der zweite Teil der Arbeit (Studie 2 - 4) behandelt die dynamische Entstehung von Oberflächensättigung und deren räumliche Variabilität innerhalb eines Einzugsgebietes. Er besteht aus drei aufeinanderfolgenden Beobachtungs- und Modellierungsstudien, die auf der Idee beruhen, zunächst mit Hilfe eines umfangreichen Datensatzes aus Feldbeobachtungen die internen Strukturen und Prozesse eines Modells auf ihre Widerspruchsfreiheit zur Realität zu überprüfen, bevor das Model dazu verwendet wird, die Interpretation von Felddaten zu unterstützen und deren Limitierungen zu überwinden. Die erste der drei Studien (Studie 2) bewertet die Praxistauglichkeit der Verwendung von Thermalinfrarot-Fotografie während verschiedener Jahreszeiten und hydrologischer Bedingungen sowie an verschiedenen Orten in einem Einzugsgebiet, um auftretende Oberflächensättigung zu kartieren und quantifizieren. Die anschließende Studie (Studie 3) wendet ein räumlich differenziertes, physikalisch basiertes Modell in Kombination mit dem in Studie 2 erhobenen Felddatensatz an. Zum einen bewertet die Studie das Vermögen des Modells, die Variabilität der räumlichen Muster und der zeitlichen Dynamik der Oberflächensättigung innerhalb eines Einzugsgebietes zu reproduzieren. Zum anderen werden aus den identifizierten Konformitäten und Diskrepanzen zwischen den Beobachtungsdaten und Modellergebnissen Rückschlüsse darauf gezogen, welche Schlüsselfaktoren das raumzeitliche Auftreten der Oberflächensättigung beeinflussen. Die letzte Studie (Studie 4) verwendet das umfassend validierte Modell aus Studie 3, um die Entstehung der Oberflächensättigung in Raum und Zeit zu untersuchen, sowohl im Hinblick auf die unmittelbare Art der Wasserzulieferung als auch im Hinblick auf verschiedene geographische Ursprungsgebiete. Alle Studien wurden für das 42 Hektar große Einzugsgebiet des Weierbachs durchgeführt, einem fest etabliertem Forschungsgebiet im Westen Luxemburgs mit komplexem hydrologischem Verhalten. Die Simulationen wurden mit dem kombinierten Oberflächen-Untergrund Modell HydroGeoSphere ausgeführt. Studie 1 offenbarte, dass kleinräumige Beobachtungen des präferentiellen Flusses keine aufschlussreichen Informationen über den Einfluss präferentieller Fließwege auf Einzugsgebietsebene liefern. Obwohl vertikale präferentielle Fließwege berücksichtigt werden mussten, um die kleinräumigen Feldbeobachtungen zu simulieren, war es nicht zweckmäßig, die entsprechenden Parametrisierungen auf Einzugsgebietsebene anzuwenden. Stattdessen hat sich gezeigt, dass auf Einzugsgebietsebene der Einfluss schneller lateraler Fließwege gegenüber den vertikalen präferentiellen Fließpfaden überwiegt. Studie 2 zeigte, dass Thermalinfrarot-Fotografie eine verlässliche Methode dafür ist, einen umfangreichen Datensatz über Oberflächensättigungsmuster und -dynamiken zu erheben, wenn einige Vorkehrungen während der Bildaufnahme und der nachfolgenden Bearbeitung berücksichtigt werden. Studie 3 zeigte auf, dass das Modell die beobachteten Muster und Dynamiken der Oberflächensättigung weitestgehend wiedergeben kann, ein-schließlich lokal variierender Muster im Vorkommen der Oberflächensättigung und verschiedener Verhältnisse zwischen der lokalen Sättigungsausdehnung und dem Abfluss aus dem Einzugsgebiet. Das Modellverhalten legte nahe, dass das Auftreten von Oberflächensättigung hauptsächlich durch Grundwasseraustritt in mikrotopographische Vertiefungen bestimmt wurde, dass es aber zusätzliche Einflussfaktoren und Prozesse geben muss, wie etwa lokale Ungleichheiten im Untergrund, wechselnde Einflüsse von Niederschlag oder Oberstromwasser und hysteretische Entstehungsprozesse. Studie 4 belegte, dass sich die Oberflächensättigung im Einzugsgebiet des Weierbachs überwiegend aus Wasser zusammensetzt, das durch Rückfluss aus dem Untergrund in die Uferzone und das Bachbett geliefert wird. Die raumzeitliche Variabilität der Durchmischung von Wasser aus verschiedenen Untergrundspeichern und des Beitrags von Wasser anderer Herkunft, wie etwa Oberflächenabfluss oder Niederschlag, erwies sich als kleiner als erwartet. Insgesamt zeigten die Ergebnisse der verschiedenen Studien das große Potenzial von Synergien zwischen räumlich differenzierter, physikalisch basierter Modellierung und Feldbeobachtungen, um das momentane Prozessverständnis in der Einzugsgebietshydrologie erheblich voranzubringen, sowohl für spezielle Untersuchungsgebiete als auch für allgemeine Fragestellungen und konzeptionelle Vorstellungen.