Aktuelle Habilitations- und Promotionsvorhaben am ihwb
Nachfolgend finden Sie eine Übersicht der Themen, die im Rahmen einer Promotion oder Habilitation am ihwb bearbeitet werden.
Promotion
Seit Beginn der Hochwassergefahrenkartenerstellung im Rahmen der europäischen Hochwasserrisikomanagementrichtlinie (HWRM-RL) hat sich für die großen Einzugsgebiete eine größtenteils standardisierte Vorgehensweise zur Ermittlung von Überflutungsflächen und den darauf basierenden Hochwasserrisikomanagement-plänen ergeben. Das Vorgehen lässt sich in zwei wesentliche Schritte unterteilen. Zunächst werden die Abflussraten anhand eines Niederschlags-Abfluss-Modells für verschiedene Ereignisse ermittelt. Diese werden anschließend als Zuflussrandbedingung in das 2D-hydrodynamische Modell gesetzt. Hydrologische und hydraulische Prozesse werden in zwei getrennten Modellsystemen voneinander entkoppelt betrachtet. Daher wird diese Vorgehensweise auch als ‚entkoppelter Ansatz‘ bezeichnet. Überflutungen in Folge von Starkregenereignissen in kleinen Einzugsgebieten bleiben bei dieser Vorgehensweise unberücksichtigt. Diese können jedoch große Schäden hervorrufen, hinzukommend wird durch den Klimawandel eine Zunahme an Extremwettereignissen prognostiziert. Diese Entwicklung hatte in den letzten Jahren in den Bundesländern die Etablierung eines Starkregenrisikomanagements, parallel zum Hochwasserrisikomanagement zur Folge. Die Schritte zur Ermittlung von Gefahr und Risiko werden in länderweiten Leitfäden festgehalten. Zusätzlich wird das methodische Vorgehen durch die ‚LAWA Strategie für ein effektives Starkregenrisikomanagement‘ und das DWA Merkblatt 119 zum ‚Risikomanagement in der kommunalen Überflutungsvorsorge für Entwässerungssysteme bei Starkregen‘ ergänzt. Das Vorgehen für Modellierung findet anhand nur eines Modellsystems statt, welches die hohe Interaktion zwischen Oberflächen- und Gerinneabfluss abbilden kann. Hydrologische und hydraulische Prozesse werden zusammen in einem Modell betrachtet, sodass dieser Ansatz auch als ‚integrierter Ansatz‘ bezeichnet wird. Das 2D-hydrodynamische Modell wird bei diesem Vorgehen direkt beregnet. Am Fachgebiet ihwb werden Modelle zur Anwendung der direkten Beregnung (DRM – ‚Direct Rainfall Method‘) getestet. Unter anderem wurde das 2D-Modell HEC-RAS vom USACE (‚US Army Corps of Engineers‘) für das Untersuchungsgebiet des Fischbach-Einzugsgebietes (38 km²) erstellt, für verschiedene Niederschlag-Abfluss-Ereignisse getestet und mit den Ergebnissen der herkömmlichen Methode verglichen.
Suspendierte Stoffe oder Schwebstoffe in Fließgewässern machen den Hauptanteil an Feststoffen in Fließgewässern aus und haben daher einen maßgeblichen Einfluss auf den Flussbau, den Hochwasserschutz, die Gewässergüte und Ökologie sowie die energiewirtschaftliche Nutzung von Flüssen. Eine kontinuierliche Überwachung des Schwebstoffgehalts innerhalb der Fließgewässer und die Identifizierung potentieller Erosions- und Verlandungsflächen innerhalb der Gewässer ist daher notwendig, um jährliche Frachten abschätzen zu können. Durch direkte Messverfahren kann die Schwebstoffkonzentration (SSC) in Form von abfiltrierbaren Feststoffen gravimetrisch bestimmt werden. Eine alternative Methode mit deutlich weniger Aufwand besteht in der indirekten Messung der SSC durch die Bestimmung der Trübung. Hierdurch kann eine kontinuierliche Messreihe am Pegelstandort aufgezeichnet und über eine individuelle Korrelationsfunktion in Abhängigkeit von den Korneigenschaften in eine SSC umgerechnet werden. Für eine verbesserte Abschätzung können zudem Quellen und Fließwege für Schwebstoffpartikel innerhalb der Einzugsgebiete identifiziert werden. Insbesondere in ruralen Gebieten sind häufig Erosions- und damit verbundene Transportprozesse von landwirtschaftlichen Nutzflächen durch den Einfluss von Wind und Wasser ein maßgeblicher Faktor für den Eintrag von Schwebstoffen in Fließgewässer. Das Ziel des Forschungsvorhabens liegt in der Analyse von unterschiedlichen hydrologischen und meteorologischen Einflussfaktoren auf Transportprozesse von Partikeln. Im Anschluss an die Datenanalyse der Transportdynamik und Gebietskonnektivität auf unterschiedlichen Zeit- und Raumskalen soll eine Abschätzung der Schwebstoffkonzentration unter Anwendung von Filtermethoden erfolgen. Sowohl die kontinuierliche Aufzeichnung als auch die Abschätzung des Partikeleintrags von Ackerflächen ermöglichen ein verbessertes Prozessverständnis des Schwebstoffeintrags in Fließgewässer.
Der Basisabfluss ist eine wichtige Komponente in der hydrologischen Modellierung, die jedoch schwer zu quantifizieren ist. Das zentrale Problem besteht darin, dass diese Komponente messtechnisch nicht direkt erfasst werden kann. Es existiert eine Vielzahl an Verfahren, um Aussagen bezüglich des Basisabflusses aus einer gemessenen Gesamtabflussganglinie treffen zu können . Klassisch sind z.B. grafische Verfahren, in denen der Basisabfluss anhand von markanten Punkten der Ganglinie abgetrennt wird, oder digitale Filter. Digitale Filter sind Algorithmen, mit denen die langsamere Basisabflusskomponente von dem Gesamtabfluss separiert wird. Die Filter besitzen meist einen, teilweise aber auch zwei bis drei Parameter, die vor der Anwendung bestimmt werden müssen. Hier kommen Verfahren der Rezessionsanalyse zum Einsatz, in denen Trockenwetterfalllinien analysiert werden, um Aussagen bezüglich des Speicherverhaltens der langsamen Basisabflusskomponente treffen zu können. Die genannten klassischen Verfahren sind weit verbreitet, haben jedoch den Nachteil, dass teilweise subjektive Einflüsse eine große Rolle spielen und die physikalische Begründung dürftig ist. Neben diesen klassischen Verfahren, für die lediglich eine Gesamtabflussganglinie benötigt wird, bestehen auch Verfahren, die Abfluss- und Tracer-messungen nutzeneinbeziehen. Diese Verfahren nutzen entweder Isotopen oder hydrochemische Parameter, um verschiedene Abflusskomponenten zu identifizieren. Mittels Isotopenanalysen können insbesondere Fragen bezüglich des Alters des Wassers beantwortet werden, wohingegen mittels hydrochemischer Parameter vor allem Aussagen bezüglich des Ursprungs getroffen werden können, z.B. ober- oder unterirdischer Abfluss. Der Messaufwand ist jedoch oft erheblich und die Analytik teuer. Daher wird eine einfach zu messende Größe wie die elektrische Leitfähigkeit (EC) herangezogen. Im Rahmen der Arbeiten am ihwb werden seit ca. 3 Jahren wöchentliche Messungen der EC verteilt im Einzugsgebiet des Fischbachs vorgenommen und zusätzlich seit ca. 2 Jahren kontinuierliche Messungen an drei Punkten durchgeführt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Nutzung der EC-Messungen zur Abschätzung des Basisabflusses im Fischbach-Einzugsgebiet zu erproben und die Abbildung der Basisabflusskomponente in der hydrologischen Modellierung zu verbessern. Mithilfe der EC-Messungen und einer Abflussganglinie von mehr als 30 Jahren wird der Basisabfluss im Fischbach-Einzugsgebiet abgeschätzt. Die Ergebnisse dieser Analysen fließen in die Weiterentwicklung der Modellierung des Basisabflusses im Niederschlag-Abfluss-Modell BlueM ein, da hier ein Weiterentwicklungsbedarf identifiziert wurde.
Die Betrachtung der Abflussbildung nimmt in der Hydrologie einen immer größeren Stellenwert ein, da viele Fragestellung z.B. Prognosen für den Hochwasserschutz, von Abflussbildungsprozessen abhängig sind. Zur Bestimmung des abflusswirksamen Niederschlages die in DVWK (2003) gegebene Empfehlung einer modifizierten Form des SCS-Verfahrens nach Kleeberg & Overland (1989) für das Mittelgebirgseinzugsgebiet Fischbach (35,6 km²) angewendet. Bei diesem Verfahren werden im Gegensatz zu dem klassischen Curve-Numver Number-Verfahren des amerikanischen Soil Conservation Services (SCS), die Anfangsverluste angepasst, sowie die Hangneigung und die Spannweite der Vorfeuchte miteinbezogen. Das Einzugsgebiet wird in seine charakteristischen Eigenschaften wie Landnutzung (Wald, Wiese, Ackerfläche), Bodenart und Topographie abgebildet. Darauf aufbauend wird eine ausgewählte Ackerfrucht auf allen Ackerflächen implementiert, um für ein bestimmtes Starkregenereignis den abflusswirksamen Niederschlag für jede Fläche zu berechnen und miteinander zu vergleichen. Dazu wird eine Curve-Number (CN) nach DVWK (2003) abhängig von der Art der Landnutzung und den hydrologischen Bodenklassen zugeordnet. Als Datengrundlage werden Niederschlagsdaten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) und der ihwb-Wetterstation herangezogen. Aussagen zu hydrologischen Bodenklassen und der Landnutzung wurden aus den Bodenflächendaten (BFD50) vom HLNUG gewonnen. Diese standortorientierte Anwendung soll zum besseren Verständnis von Zusammenhängen sensitiver Parametern (CN-Wert, Hangneigung und Vorregen-Index) führen.
Niedrigwasser- und Dürreperioden können schwerwiegende Folgen für die Umwelt haben. Sie beeinflussen Quantität und Qualität des Wassers und haben somit Auswirkungen auf das Wohlbefinden der Lebewesen und ihrer Ökosysteme. Darüber hinaus hat Wasserknappheit Einfluss auf viele wirtschaftliche Bereiche, besonders auf das Agrarwesen und die Schifffahrt.
Deshalb ist es von großer Wichtigkeit die hydro-meteorologischen Prozesse, die Trockenphasen hervorrufen, zu verstehen. Eben diese Prozesse erforscht das ihwb seit dem Frühjahr 2019 auf der räumlichen Skala eines Einzugsgebiets (EZG). Das Mittelgebirgs-EZG der Gersprenz umfasst ca. 500 km² und ist Teil der Flussgebietseinheit Rhein. Eine Niedrigwasseranalyse mit historischen Messdaten von zwei Pegeln wurde durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Wasserstände im Einzugsgebiet merklich sinken.
Da Niedrigwasser stark klimaabhängig ist, wurden zusätzlich historische Klimadaten analysiert. Eine besondere Rolle spielte dabei die Identifikation von Dürreperioden. Wie Niedrigwasser kann auch Dürre durch Kennwerte definiert werden. Es wurden der Standardized Precipitation Index (SPI) und der Standardized Precipitation Evaporation Index (SPEI) berechnet. Die jeweiligen Zeitreihen wurden analysiert und verglichen.
Zusätzliche wurden die Auswirkungen des Klimawandels auf Trockenheit und Dürre untersucht. Anhand von zwei Szenarien RCP8.5 und RCP2.6 wurden die Entwicklung von Trockenheit und Dürre für ein emissionsreiches und ein emissionsarmes Szenario für den Zeitraum 2011-2100 analysiert. Die dazu verwendeten Klimaprojektionen sind Teil des Bias-korrigierten Kernensembles des Deutschen Wetterdienstes (DWD).
Es zeigte sich, dass unter dem emissionsreichen Szenario die Sommer tendenziell trockener und die Winter feuchter werden. Darüber hinaus wurden Tendenzen in Bezug auf das Ausmaß der Dürren und die Länge der Dürreperioden identifiziert. Alle extremen Entwicklungen wurden unter dem RCP2.6-Szenario merklich abgeschwächt.