Academic literature on the topic 'Hydrologische Prozesse'

ZusammenfassungMethoden der künstlichen Intelligenz haben sich in den letzten Jahren zu essenziellen Bestandteilen fast aller Bereiche von Wissenschaft und Technik entwickelt. Dies gilt auch für die Hydrologie: Vielschichtige neuronale Netzwerke – auch bekannt als Modelle des Deep Learning – ermöglichen hier Vorhersagen von Niederschlagsabflussmengen in zuvor unerreichter Präzision.Dieser Beitrag beleuchtet das Potenzial von Deep Learning für wasserwirtschaftliche Anwendungen. Der erste Teil des Artikels zeigt, wie sogenannte Long Short-Term Memory-Netzwerke – eine spezifisch für Zeitreihen entwickelte Methode des Deep Learnings – für die Niederschlags-Abfluss-Modellierung verwendet werden, und wie diese für eine Reihe hydrologischer Probleme bessere Ergebnisse als jedes andere bekannte hydrologische Modell erzielen. Der zweite Teil demonstriert wesentliche Eigenschaften der Long Short-Term Memory-Netzwerke. Zum einen zeigen wir, dass diese Netzwerke beliebige Daten verarbeiten können. Dies erlaubt es, mögliche synergetische Effekte aus unterschiedlichen meteorologischen Datensätzen zu extrahieren und damit die Modellgüte zu verbessern. Zum anderen stellen wir dar, wie relevante hydrologische Prozesse (wie z. B. das Akkumulieren und Schmelzen von Schnee) innerhalb der Modelle abgebildet werden, ohne dass diese spezifisch darauf trainiert wurden.

Abstract. Amarok, Tulugak und Ukalik sind kleine, ultra-oligotrophe Seen auf Baffin Island, kanadische Arktis, die im Frühholozän eine natürliche Schwermetallanreicherung aufweisen, welche mit der von rezenten, belasteten Sedimenten vergleichbar ist. Während der letzten Eiszeit waren diese Seen nicht von Gletschermassen bedeckt (Refugien), so dass die Seen und ihre Einzugsgebiete während der letzten 40 000 Jahre aktive Ökosysteme waren. Die paläoökologischen Bedingungen wechselten zwischen kalten Zeiten mit geringer Vegetationsbedeckung, geringer Bodenbildung, starker Erosion, allochthonen klastischen Sedimenten, geringer Produktivität und sauren pH-Werten und wärmeren Zeiten mit Zunahme von Vegetationsbedeckung und Bodenbildung, geringerer Erosion, autochthonen organischen Sedimenten, stärkerer Produktivität und höheren pH-Werten. Die Veränderungen des Paläo-pH werden vor allem durch hydrologische und biogeochemische Prozesse in den Seen selbst gesteuert, weniger durch die Basenbereitstellung aus den Einzugsgebieten. Eine effektive synsedimentäre Konzentration von Schwermetallen im organischen Anteil hat im Frühholozän dazu geführt, dass unter bestimmten hydrologischen und ökologischen Bedingungen natürlicherweise Konzentrationen von Schwermetallen auftreten, die z. T. weit über dem normalerweise anzutreffenden geogenen Hintergrund liegen.

Zusammenfassung„Big data“ ist zwar ein inflationär verwendetes Modewort, aber sehr umfangreiche Datensätze finden auch im Bereich der Hydrologie zunehmend Verwendung. Anhand „large-sample“ (große Stichprobe)-Untersuchungen können Einblicke in hydrologische Prozesse und den hydrologischen Kreislauf gewonnen werden, welche bei kleinräumigen Studien eventuell verwehrt bleiben würden. LamaH (Large-Sample Data for Hydrology) ist ein neuer Datensatz für „large-sample“ Untersuchungen im Zentrum von Europa. Er deckt das gesamte orographische Einzugsgebiet der oberen Donau bis zur Staatsgrenze Österreich/Slowakei sowie alle anderen Einzugsgebiete in Österreich inkl. deren Oberlieger in benachbarten Ländern ab. LamaH umfasst somit eine Fläche von rund 170.000 km2 in 9 verschiedenen Ländern und erstreckt sich dabei von Flachlandregionen mit kontinental geprägtem Klima bis hin zu hochalpinen Zonen mit ganzjähriger Schnee- und Eisbedeckung. Folglich ist eine große Diversität an verschiedenen Eigenschaften in den 859 beobachteten Einzugsgebieten vorhanden, welche anhand von über 60 verschiedenen statischen Attributen in den Kategorien Topographie, Klimatologie, Hydrologie, Landbedeckung, Vegetation, Boden sowie Geologie erfasst wird. LamaH umfasst zudem eine Sammlung an Abflusszeitreihen sowie verschiedenste meteorologische Zeitreihen. Alle Zeitreihen liegen in täglicher und stündlicher Auflösung vor, während alle meteorologischen sowie ein Großteil der Abflusszeitreihen eine Spanne von über 35 Jahren aufweisen. Die Abflusspegel sind ferner mit über 20 verschiedenen Attributen klassifiziert, wobei auch anthropogene Pegelbeeinflussungen sowie Indikatoren für Datenqualität und -vollständigkeit beschrieben werden. Die Struktur von LamaH ist grundsätzlich an jene der CAMELS-Datensätze angelehnt. Im Gegensatz dazu werden bei LamaH Daten jedoch nicht nur für unabhängige und damit teilweise sehr große Einzugsgebiete bereitgestellt, sondern auch für kleinere Zwischeneinzugsgebiete. Erstmals kann dadurch bei hydrologischen „large-sample“-Datensätzen ein großes zusammenhängendes hydrologisches Netzwerk zur Verfügung gestellt werden. Neben den Datengrundlagen, der Methodik der Datenaufbereitung und der räumlichen Verteilung ausgewählter Einzugsgebietseigenschaften werden auch etwaige Unsicherheiten bzw. Limitierungen diskutiert. Des Weiteren sind auch mögliche Anwendungsmöglichkeiten angeführt, schließlich sollte LamaH vor allem als Grundlage für weiterführende Untersuchungen dienen. LamaH kann kosten- und barrierefrei unter 10.5281/zenodo.4525244 bezogen werden.

Abstract. Die Kenntnis der regionalen Paläohydrologie ist eine wesentliche Grundlage für das Verständnis aktueller Umweltfragen, wie zum Beispiel nach den Gründen von hydrologischen Veränderungen, dem Einfluss von Landnutzungsstrategien und der Wirksamkeit von Renaturierungsvorhaben in Feuchtgebieten. Auch die Interpretation von Modellierungsergebnissen zu den künftigen Einflüssen des Klima- und Landnutzungswandels auf das Gewässersystem kann durch die Einbeziehung (prä-) historischer Analogien verbessert werden. Für das glazial geprägte nordostdeutsche Tiefland wurde eine Übersicht der vorliegenden paläohydrologischen Befunde für den Zeitraum der letzten etwa 20.000 Jahre erarbeitet. Die Entwicklung der Flüsse wurde mit Blick auf die Tal-/Auengenese und das Ablagerungsmilieu, die Veränderung des Tal- und Gerinneverlaufs sowie den Paläoabfluss bzw. das Paläohochwasser betrachtet. Wesentliche genetische Unterschiede bestehen zwischen Alt- (Elster- und Saalekaltzeit) und Jungmoränengebieten (Weichselkaltzeit) sowie zwischen hoch und tief gelegenen Tälern. Letztere sind stark durch Wasserspiegelveränderungen in der Nord- und Ostsee beeinflusst worden. Die Entwicklung der Seen wurde hinsichtlich der Seebildung, die überwiegend eine Folge der spätpleistozänen bis frühholozänen Toteistieftau-Dynamik ist, und der Veränderungen im Ablagerungsmilieu analysiert. Weiterhin standen Seespiegelveränderungen im Fokus, wobei sich hoch variable lokale Befunde mit einigen Übereinstimmungen zeigten. Der Überblick zur Moorentwicklung konzentrierte sich auf hydrogenetische Moorentwicklungsphasen und auf die langfristige Entwicklung des Grundwasserspiegels. Enge Beziehungen zwischen der Entwicklung der Flüsse, Seen und Moore bestanden insbesondere im Spätholozän durch komplexe Vermoorungsprozesse in den großen Flusstälern. Bis in das Spätholozän wurde die regionale Hydrologie überwiegend durch klimatische, geomorphologische und nicht-anthropogene biologische Faktoren gesteuert. Seit dem Spätmittelalter wurde in der Region das Gewässernetz und der Wasserkreislauf im starken Maß durch anthropogene Interventionen beeinflusst (z.B. Aufstau von Flüssen und Seen, Bau von Kanälen und Deichen, Moorkultivierung). In den letzten etwa 50 Jahren haben dann sogar die kurzfristigen anthropogenen Eingriffe, z.B. in Form von Abflussregulierung, Hydromelioration und künstlicher Seebildung, die Wirksamkeit langfristiger klimatischer und geomorphologischer Prozesse übertroffen.

The objective of this thesis is to improve the knowledge of control mechanisms of hydrological induced mass movements. To this end, detailed hydrological process studies and physically-based hydrological modelling were applied. The study site is a hillslope in the Dornbirn Ache valley near Bregenz, Austria. This so called Heumös slope features a deep-seated translational shear zone and surface near creep movements of up to 10 cm a year. The Cretaceous marlstones of the Austrian Helveticum have a high susceptibility for weathering and might form clay-rich cohesive sediments. In addition, glacial and post-glacial processes formed an unstable hillslope. High yearly precipitation depths of about 2100 mm and rainstorms with both high intensities and precipitation depths govern surface and subsurface hydrological processes. Pressure propagation induced in hydrological active areas influences laterally the groundwater reactions of the moving mass. A complex three-dimensional subsurface pressure system is the cause for fast groundwater reactions despite low hydraulic conductivities. To understand hillslope scale variability, hydrotopes representing specific dominating processes were mapped using vegetation association distribution and soil core analysis. Detailed small-scale soil investigations followed to refine the understanding of these hydrotopes. A perceptional model was developed from the hydrotope distribution and was corroborated by these detailed investigations. The moving hillslope is dominated by surface-runoff generation. Infiltration and deep percolation of water is inhibited through clay-rich gleysols; the yearly average soil moisture is close to saturation. Steep slopes adjacent to the moving hillslope are far more active concerning infiltration, preferential flow and groundwater fluctuations. Spring discharge observations at the toe of the steep slopes are in close relation to groundwater table observations on the moving hillslope body. Evidence of pressure propagation from the steep slopes towards the hillslope body is gathered by comparison of dominating structures and processes. The application of the physically-based hydrological model CATFLOW substantiates the idea of pressure propagation as a key process for groundwater reactions and as a possible trigger for movement in the hillslope.
Diese Arbeit soll die Zusammenhänge von hydrologischen Rahmenbedingungen und Massenbewegungen besser erforschen, damit in Zukunft verbesserte Vorhersagen des Versagenszeitpunktes möglich werden. Das Untersuchungsgebiet besteht aus einem ca. 2 km langen und 500 m breiten Hang mit einem maximalen Höhenunterschied von ca. 400 m. Das dort vorkommende Festgestein besteht im Wesentlichen aus Mergelstein. Die vergangenen Eiszeiten haben dieses Gestein überarbeitet und Grundmoränenablagerungen auf dem Hang zurückgelassen. Diese wurden in den letzen 10.000 Jahren von Hangschutt, der aus den benachbarten Steilhängen stammt, überlagert. Der Hangschutt ist sehr verwitterungsanfällig, die Kalkkristalle lösen sich und wandeln den Hangschutt in lehmiges Material. Bewegungsmessungen an der Oberfläche zeigen, dass sich der Hang mit ca. 10 cm im Jahr talabwärts bewegt. Diese Bewegungen werden sehr wahrscheinlich durch kleine ruckartige Ereignisse in ca. 8 m Tiefe ausgelöst. Ziel der Untersuchungen war, den Wasserhaushalt des Hanges so gut wie möglich zu erfassen und mit Computermodellen abzubilden. Dabei spielt die Heterogenität der pedologischen Eigenschaften einen wesentliche Rolle, als Eingangsparameter für die Modelle. Grundwasserstandsmessungen in 5,5 m Tiefe auf dem Hang zeigen schnelle Reaktionen des Grundwasserspiegels nach Niederschlagsereignissen. Das Wasser dieser Ereignisse kann aber aufgrund des Lehms, der nur eine geringe Wasserdurchlässigkeit für Wasser besitzt, nicht in den tieferen Untergrund gelangen, sondern fließt fast vollständig an der Oberfläche ab. Dahingegen führt ein schnelles Versickern von Wasser in an den Hang anschließenden Steilhängen zu einem schnellen Grundwasseranstieg, der aufgrund eines gespannten Grundwasserleiters den Druck in die Hangrutschung weitergibt. Dort wird ein Überdruck aufgebaut, der sehr wahrscheinlich die Bewegungen auslöst. Die vorliegende Arbeit ist eine detaillierte Herangehensweise um Erkenntnisse aus der Hyrologie für die Bestimmung des Wasserhaushaltes von Massenbewegungen heranzuziehen.