Archetypische Transitzeitverteilungen und ihre Dynamik in realen Einzugsgebieten

• Antragsteller: Ingo Heidbüchel, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454619223

Das Management von Wasserressourcen ist ein kompliziertes Unterfangen, besonders wenn es darum geht, den Stoffaustrag aus ganzen Einzugsgebieten (EZGs) vorherzusagen. Stoffe, die natürlich oder anthropogen in den hydrologischen Kreislauf eingebracht werden, lassen sich nur schwer und teilweise nur unter großem Aufwand auf ihrem Weg durch Boden, Vegetation und Festgestein nachverfolgen. Erst im Gebietsabfluss werden sie als integriertes Signal wieder einfacher messbar. Ein gängiger Ansatz zur Vorhersage künftiger Stoffausträge liegt darin, physikalisch-basierte, distribuierte hydrologische Modelle spezifischer EZGs aufzusetzen, diese mit Niederschlags- und Abflussmesswerten zu kalibrieren und so den Stofftransport im Gebiet detailliert nachzuvollziehen. Allerdings ist das Aufsetzen solcher Modelle relativ aufwändig und ihre Anwendung meist rechenintensiv. Auch sind die Ergebnisse nicht direkt auf andere EZGs übertragbar. Ich verfolge mit diesem Antrag das Ziel, einen einfacheren Ansatz zu ermöglichen, indem ich physikalisch-basierte Modelle dazu verwende, mehr Realismus in konzeptionellen Stoffaustrags-Modellen auf EZG-Ebene abzubilden. Das möchte ich dadurch erreichen, indem ich die Form von Transferfunktionen, die in vielen konzeptionellen Modellen dazu verwendet werden, Stoffeintrag in Stoffaustrag umzuwandeln, mit physisch-messbaren EZG- und Klimaparametern verknüpfe. Bei diesen Transferfunktionen handelt es sich um vorwärtsgerichtete Transitzeitverteilungen, welche detaillierte Auskunft darüber geben, wie lange sich das Wasser oder die eingetragenen Stoffe eines bestimmten Niederschlagsereignisses in einem EZG aufhalten, bevor sie zum Abfluss kommen. Je nachdem, welche Fließpfade während und nach einem Niederschlagsereignis präferenziell aktiviert werden, ändert sich die Form der Transitzeitverteilungen. Ebenso variiert die Form räumlich, abhängig von speziellen EZG-Eigenschaften, wie beispielsweise der Bodentiefe oder der hydraulischen Leitfähigkeit. In einer Studie, welche die Grundlagen für diesen Antrag bildet, habe ich ein physikalisch-basiertes, distribuiertes hydrologisches Modell (HydroGeoSphere) verwendet, um im Rahmen eines virtuellen Experiments zu untersuchen, wie die Form von Transitzeitverteilungen räumlich variiert zwischen EZGs mit unterschiedlichen Gebietseigenschaften und wie sie sich zeitlich verändert innerhalb eines EZGs mit unterschiedlicher Vorfeuchte. Nun strebe ich die Verifizierung der Ergebnisse der virtuellen Modellstudie mit empirischen Felddaten in real-existierenden EZGs an. Zu diesem Zweck werde ich die Abfluss- und Nitratzeitreihen des frei-verfügbaren Deutschland-Datensatzes verwenden, sechs daraus ausgewählte repräsentative (archetypische) EZGs in HydroGeoSphere aufsetzen und kalibrieren und die sich ergebenden Transitzeitverteilungen und deren Dynamiken mit denjenigen vergleichen, die aus den Modelläufen mit virtuellen EZGs resultierten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen