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UFZ Modellzentrum: Angewandte Landschaftsökologie

Dr. Karsten Schulz

Fachbereich UmweltsystemmodellierungUFZ - Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle

Die Bedeutungräumlicher Strukturen und Muster

für das hydrologische Prozessgeschehen

UFZ-Umweltforschungszentrum Halle/Leipzig – Fachbereich Umweltsystemmodellierung

Inhalt

• Bedeutung hydrologischer Prozesse

• Einfluss von Strukturen– Infiltration

– Oberflächenabfluss

– Verdunstung

• Forschungsbedarf

• Zukünftige Aktivitäten


Bedeutung hydrologischer Prozesse

(aus Miller, 1990)

Niederschlag

Oberflächenabfluss

Infiltration

GW-Fluss

Verdunstung



• Trinkwasser



• Trinkwasser

• Landwirtschaftliche Produktion



• Trinkwasser


• Transport und Verlagerung von Schad-und Nährstoffen



• Trinkwasser



• Klima und Wetter


• Trinkwasser



• Klima und Wetter

• Hochwasser



Landschaftswasserhaushalt

(aus Miller, 1990)

Wassergehalte an der Bodenoberfläche


Skalenproblematik

uS KK ,,ψuS KK ,,ψ

Labor (REV)

Einzugsgebiet

Feld


Räumliche Variabilität - Skalen

Blöschl (1995)


Inhalt

••• Bedeutung hydrologischer ProzesseBedeutung hydrologischer ProzesseBedeutung hydrologischer Prozesse

• Einfluss von Strukturen– Infiltration

– Oberflächenabfluss

– Verdunstung

••• ForschungsbedarfForschungsbedarfForschungsbedarf

••• Zukünftige AktivitätenZukünftige AktivitätenZukünftige Aktivitäten


Skalenproblematik

• Tracerexperimente

Tracer Infiltrations-ExperimenteFlury (1992), Stamm (1995)


Strukturen - Infiltration

Vogel & Babel (2004)


Abflussbildung 1

Oberflächenabflussim

Tropischen Regenwald

Elsenbeer & Godsey (2003)


0

10

20

30

40

50

60

0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10

Time (hh:min)

Run

off (

mm

/h)

Infiltration Rate

Rate of Irrigation

Abflussbildung 1



0

10

20

30

40

50

60

0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10

Time (hh:min)

Run

off (

mm

/h)

Rate of Irrigation

Infiltration Rate i


Abflussbildung 2

Event 1Event 2 (2 hours later)


0

10

20

30

40

50

60

0:00 0:15 0:30 0:45 1:00 1:15 1:30 1:45 2:00 2:15 2:30 2:45 3:00

Time (hh:min)

Run

off (

mm

/h)

Rate of Irrigation

ii


Abflussbildung 3


0

10

20

30

40

50

60

0:00 1:30 3:00 4:30 6:00

Time (hh:min)

Run

off (

mm

/h)

Rate of Irrigation

i


Abflussbildung 4


Hydrophobizität

Durner (2000)


Strukturen - Runoff

Blöschl & Grayson (1995)


Strukturen - Runoff

30mm/1h



Strukturen - Runoff


5mm/1h


Strukturen - Verdunstung

Vogel & Babel (2004)



Avissar & Pielke (1989)


Inhalt


••• Einfluss von StrukturenEinfluss von StrukturenEinfluss von Strukturen––– InfiltrationInfiltrationInfiltration

––– OberflächenabflussOberflächenabflussOberflächenabfluss

––– VerdunstungVerdunstungVerdunstung

• Forschungsbedarf

••• Zukünftige AktivitätenZukünftige AktivitätenZukünftige Aktivitäten


Forschungsbedarf

• Erfassen von Strukturen und ihrer Dynamik– Fernerkundung

ENVISAT

©ESA

Launch: 01. March 2002Data since 2003

ENVISAT

©ESA

ENVISAT

©ESA

Launch: 01. March 2002Data since 2003


Forschungsbedarf

• Erfassen von Strukturen und ihrer Dynamik– Fernerkundung– Geophysikalische Methoden


Forschungsbedarf


Schlaeger (2005)Schädel (2003) 20 24 28 32 36 40 44 48

Volumetrischer Wassergehalt


Forschungsbedarf


Binley (2004)


Forschungsbedarf


• Mathematische Beschreibung– Topologie, Mathematische Morphologie


Variabilität

µ„Realität“

Mittelwert Varianz

σ

Semivarianz

γ

Topologie/Struktur?


Forschungsbedarf


• Mathematische Beschreibung– Geostatistik, Topologie, Mathematische Morphologie

• Zeitliche Dynamik


Verdunstung

• Optische Systeme

• Thermalscanner

(aus Enthekabi et al., 2004) Zeit [h]

Tem

per

atur

[°C] Trockener Boden

feuchter Boden



Grayson et al. (1997)


Forschungsbedarf


• Mathematische Beschreibung– Geostatistik, Topologie, Mathematische Morphologie

• Zeitliche Dynamik

• Zusammenhang zwischen Strukturen


Forschungsbedarf

Wassergehalt

Textur,

Oberflächen-temperatur

PRI, Wetness Index

…


Variabilität

µ„Realität“

Mittelwert Varianz

σ

Semivarianz

γ

Topologie/Struktur?


Inhalt


••• Einfluss von StrukturenEinfluss von StrukturenEinfluss von Strukturen––– InfiltrationInfiltrationInfiltration

––– OberflächenabflussOberflächenabflussOberflächenabfluss

––– VerdunstungVerdunstungVerdunstung

••• ForschungsbedarfForschungsbedarfForschungsbedarf

• Zukünftige Aktivitäten


Aktivitäten

• DFG-Forschergruppe– BAT IIa (O) 50%


Aktivitäten


• „Vision“-Paper WRR


Aktivitäten



• UFZ – Projekt


Aktivitäten



• UFZ – Projekt

• Einbindung TERENO


Aktivitäten



• UFZ – Projekt

• Einbindung TERENO

• …


TERENO - Maßnahmen

• Einrichtung von Observatorien an 3 Standorten mit unterschieden demographischen und wirtschaft-lichen Entwicklungen

• Je Standort 4 Intensivmessflächen entlang eines Gradienten „städtisch-stadtnah-ländlich-naturnah“

• Ausstattung mit modernen Messsytemen, z.B. zur– Erfassung von Wasser-, Stoff- und Energieflüssen in

verschiedenen Umweltkompartimenten– Bestimmung ökologischer Kenngrößen/Proxies– Erfassung sozioökonomischer Daten

• Abstimmung mit Behörden und anderen Netzwerken (IEOS)

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