Hydrologische Regionalisierung - Versuch der Synthese

Methoden der Regionalisierung werden in der Hydrologie dazu benötigt, hydrologische Flussgrößen, Zustandsvariablen und Modellparameter an Standorten an denen keine Messungen vorliegen zu berechnen. Die konzeptuelle Basis vieler der derzeit verwendeten Regionalisierungsmethoden ist nicht aufeinander abgestimmt. Außerdem dürfte es für einige der Methoden möglich sein, die hydrologischen Prozesse auf der regionalen Skale besser zu beschreiben als dies derzeit der Fall ist. Eine Synthese der einzelnen Methoden sowie die Verbesserung der Prozessbasis der einzelnen Methoden erscheint deshalb notwendig. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, bestehende Regionalisierungsmethoden für Österreich vergleichend zu bewerten; Regionalisierungsmethoden zu entwickeln oder weiterzuentwickeln, deren Struktur womöglich durch die hydrologischen Prozesse bestimmt ist und in geringerem Maße von der Verfügbarkeit von Daten und Modellkonzepten; sowie eine Synthese von Regionalisierungsmethoden mit unterschiedlicher konzeptueller Basis für ähnliche Anwendungen zu versuchen. Drei Arbeitspakete sind geplant, die sich mit statistischen Methoden, deterministischen Methoden und kombinierten statistisch-deterministischen Methoden befassen. Im ersten Arbeitspaket werden bestehende statistische Methoden der Regionalisierung, die Zusatzdaten verwenden, verglichen und erweitert durch Prozessindikatoren für ereignisbasierte und dauerlinienbasierte hydrologische Kenngrößen. Eine geostatistische Methode wird entwickelt, die die räumliche Struktur der Landoberfläche mit ineinandergreifenden Einzugsgebieten berücksichtigt. Diese beiden Methodentypen werden verglichen und kombiniert. Im zweiten Arbeitspaket werden Parameter eines ereignisbasierten deterministischen Einzugsgebietsmodells regional analysiert. Sodann werden die Parameter eines kontinuierlichen deterministischen Einzugsgebietsmodells regionalisiert unter Verwendung von Satellitendaten der Schneebedeckung. Diese beiden Methodentypen werden wieder verglichen und in Abstimmung gebracht. Im dritten Arbeitspaket werden statistische Inputs mit deterministischen Modellen kombiniert wodurch sich regionale Wahrscheinlichkeitsaussagen ableiten lassen. Die Unsicherheiten der in diesem Projekt untersuchten bzw. entwickelten Methoden werden in einer vergleichenden Sensitivitätsanalyse sowie einer direkten Fehleranalyse mittels Kreuzvalidierung untersucht. Zahlreiche digitale Datensätze für das gesamte Bundesgebiet von Österreich werden in diesem Projekt verwendet. Diese stehen dem Antragsteller bereits zur Verfügung und können für das Projekt herangezogen werden. Das Projekt erschließt wissenschaftliches Neuland durch die Vertiefung des Verständnisses einzelner hydrologischer Prozesse und Methoden auf regionaler Ebene sowie durch die Synthese von Methoden, die bislang nicht zueinander in Beziehung gesetzt wurden. Die Vorgangsweise, einander ergänzende Methoden zu analysieren bzw. in Beziehung zu setzen, erscheint zielführend, da zu erwarten ist, dass die Stärken der jeweiligen Methoden sowie deren Synergieeffekte genützt werden können. Die Betrachtung mehrerer Methoden für das gleiche Problem erlaubt einen Methodenvergleich, der die Glaubwürdigkeit der Einzelmethoden erhöht. Dies drückt sich in einem verbesserten Prozessverständnis sowie einer erhöhten Aussagekraft der in diesem Projekt untersuchten bzw. entwickelten Methoden aus.

Methoden der Regionalisierung werden in der Hydrologie dazu benötigt, besser zu verstehen wie das Wasser in der Landschaft fließt, auch wenn keine Messungen dazu vorhanden sind. Die dafür notwendige Forschung zielt einerseits auf die grundlegenden Zusammenhänge ab die notwendig sind, das System Erde besser zu verstehen. Andererseits gibt es dazu auch angewandte Aspekte, die als Grundlage zur genaueren Dimensionierung von Wasserbauten (Brücken, Dämmen) sowie zur Bewirtschaftung der Wasserressourcen dienen kann. Gerade im Zusammenhang mit dem Klimawandel ist das eine aktuelle Fragestellung. In der Vergangenheit waren die dazu notwendigen wissenschaftlichen Methoden segmentiert. Ziel des vorliegenden Projektes war es, die prozessbasierten Methoden für österreichische Verhältnisse weiterzuentwickeln, sowie eine Synthese der Methoden durchzuführen, um genauer berechnen zu können wo wie viel Wasser fließt. Das Projekt erzielte wichtige neuer Forschungsergebnisse. Erstens wurden neue Datentypen analysiert, die es erlauben, die regionalen Muster des Abflusses in den Flüssen sowie ihre Einflussgrößen zu verstehen. Der neue Ansatz bestand darin, die Saisonalität (d.h. das jahreszeitliche Auftreten) von Regen, Abfluss und Hochwässern zu untersuchen. Die Saisonalität wurde unter anderem mit meteorologischen Wetterlagen in den Alpen und den Karpaten in Zusammenhang gebracht. Die neuen Datentypen wurden mit statistischen Methoden ausgewertet, wobei hier die Neuerung darin lag, die Ähnlichkeit des Abflusses entlang des Gewässernetzes auszuwerten. Zweitens wurden die neue Datentypen mit hydrologischen Modellen kombiniert, um den Abfluss an Stellen eines Gewässers vorhersagen zu können, an denen keine Messungen vorliegen. Satellitendaten der räumlichen Verteilung der Schneelage sowie der Bodenfeuchte wurden zu diesem Zweck herangezogen. Drittens wurden die statistischen Methoden mit den hydrologischen Modellen kombiniert. Das erlaubte nun eine genauere Vorhersage der Wasservolumina und Wasserstände in den Flüssen einschließlich ihrer Wahrscheinlichkeit, d.h. Aussagen darüber, wie wahrscheinlich es ist, dass ein bestimmter Durchfluss (bzw. Wasserstand) an einer Stelle des Gewässers überschritten wird. Im abschließenden Projektsteil wurde eine Synthese der verschiedenen Methoden durchgeführt. Den Ansatz kann man als Paradigmenwechsel in der Hydrologie ansehen, der die getrennte Betrachtung zu Gunsten einer Synthese verlässt. Ein neuer, diese Sichtweise beschreibende Begriff wurde dazu eingeführt, nämlich "Hochwasserhydrologie" im Gegensatz zur traditionellen Hochwasserstatistik. Da umfangreichere und sich ergänzende Daten verwendet werden, sind die Ergebnisse genauer. Alle Methoden und Konzepte wurden an umfangreichen Datensätzen in Österreich und benachbarten Ländern getestet. Diese Tests zeigten, dass der neue kombinierte Ansatz die Stärken der jeweiligen Methoden sowie deren Synergieeffekte nützen kann.