Ein hydrologisches Modellsystem auf Basis dominanter Prozesse

Unterschiedliche hydrologische Rahmenbedingungen werden üblicherweise bei der Modellbildung durch Anpassung der Modellparameter beschrieben. Die Modellstruktur bleibt dabei unverändert. Im Gegensatz geht das vorliegende Projekt von der Hypothese aus, dass spezifische Modellstrukturen notwendig sind, um die je nach Situation und Skale in weitem Bereich differierenden hydrologischen Prozesse zu beschreiben. Der generelle Ansatz des Projektes beruht auf dem Konzept der dominanten Prozesse. Die maßgebenden Prozesse werden über eine Kombination zweier verschieden gerichteter Ansätze identifiziert, zum Einen über eine Klassifizierung der Prozesse nach ihren wesentlichen Einflussfaktoren auf Basis des "Downward Approach", zum Anderen über Simulationen auf Basis von Prozessmodellierungen für vordefinierte Bedingungen ("Upward Approach"). Über geeignete Klassifizierungen wird eine "Abbildung" der Landschaftsstrukturen auf entsprechende Modellstrukturen gesucht. Die Untersuchungen berücksichtigen dabei die Hierarchie der räumlichen Skalen, wobei davon ausgegangen wird, dass die Haupt-Einflussfaktoren auf der größten Skalen-Ebene zum Ausdruck kommen. Über die Zuordnung von hydrologischen Signaturen wie etwa der Saisonalität des Abflusses etc. zu diesen Kontrollfaktoren wird die geeignete Modellstruktur identifiziert. Die Methode wird für drei Regionen mit starken hydrologischen Gradienten entwickelt und getestet. Zwei der Regionen liegen in Peru, wo der Jahresniederschlag zwischen einigen wenigen Millimetern in den Wüstengegenden und mehr als 4000 mm betragen kann. Die dritte Region befindet sich in Österreich mit einer Variation des Niederschlags von 400 mm/a im Osten bis zu 3000 mm/a am Nordrand der Alpen. Landformen, Geologie und Bodenverhältnisse variieren ebenso über einen weiten Bereich in diesen Regionen. Das Projekt betritt Neuland in dreifacher Hinsicht: mit der Identifikation einer Hierarchie der die Prozesse bestimmenden dominanten Einflussfaktoren auf der Basis der Idee einer Ko-Evolution von Böden, Vegetation und Landschaften; mit der Einbeziehung von Methoden der "Comparative Hydrology" zur Aufdeckung von Unterschieden in den verschiedenen Landschaftsteilen und einer Abbildung dieser Unterschiede in den Modellstrukturen; mit der Entwicklung einer Vorgangsweise zur Definition der Modellstruktur in Relation zu den je dominanten Prozessmerkmalen. Von dem neuen prozess-orientierten Modellierungskonzept wird erwartet, dass es zu einer Verbesserung des Verständnisses über die Wasserbilanzen unterschiedlicher Landschaften unter heutigen, aber auch unter veränderten Klimabedingungen beitragen kann.

Abflussvorhersagen werden für viele Zwecke benötigt, wie Bemessungsfragen im Wasserbau, Hochwasserwarnung und die Bewirtschaftung von Wasserressourcen. Vorhersagen basieren auf hydrologischen Modellen, die meist auf die örtlichen Gegebenheiten durch Anpassung der Modellparameter abgestimmt sind, ohne dabei die Modellstruktur zu verändern. Im Gegensatz dazu stellte das vorliegende Projekt die Hypothese auf, dass spezifische Modellstrukturen notwendig sind, um die je nach Situation unterschiedlichen hydrologischen Prozesse zu beschreiben. Der generelle Ansatz des Projektes beruhte auf dem Konzept der dominanten Prozesse zur Bestimmung einer geeigneten Modellstruktur. Die dominanten Prozesse wurden durch Klassifikation des hydrologischen Abflussverhaltens in Hinblick auf großräumige klimatische Einflussgrößen (z.B. Niederschlag) und kleinräumigere unterirdische Einflussgrößen (z.B. Geologie, Boden) bestimmt. Klimatisch stark unterschiedliche Einzugsgebiete in Peru wurden mit Gebieten in Österreich und anderen Ländern verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass im trockenen peruanischen Tiefland im Norden der Abfluss weniger saisonal ist als der Niederschlag wegen der relativ kurzen Regenzeit von Januar bis März und der Wasserspeicherung im Einzugsgebiet. Im österreichischen Transekt zeigt der Abfluss eine stärkere Saisonalität als der Niederschlag wegen des Einflusses der Schneeschmelze von April bis Juni. Für Einzelereignisse (z.B. für Hochwässer) bestimmen Niederschlagstyp und Bodenfeuchte sowie Geologie und Bodeneigenschaften das Abflussverhalten. Vier Testgebiete entlang eines klimatischen Gradienten in Österreich wurden ausgewählt. Für diese wurden Flächen mit typischen Mechanismen der Abflussbildung ausgewiesen, wie Oberflächenabfluss, Zwischenabfluss und tiefer Grundwasserabfluss. Von diesen Prozesskarten und dem saisonalen Abflussregime wurden hydrologische Modelle unterschiedlicher Struktur für jedes der vier Gebiete abgeleitet. In ähnlicher Weise wurden Modellparameter bestimmt. Modelltests wurden durchgeführt um zu ermitteln, ob die für das jeweilige Gebiet zutreffende Modellstruktur sich auch in genaueren Abflussvorhersagen widerspiegelt als eine Modellstruktur aus einem anderen Gebiet. Die Ergebnisse bestätigen die Projektshypothese, dass sich die Modellstruktur stark auf die Abflussvorhersagen auswirkt. Eine maßgeschneiderte Modellstruktur auf Basis dominanter Prozessmerkmale ist dann von besonderem Wert, wenn das Modell nicht an beobachteten Abflussdaten kalibriert werden kann. Das bedeutet, dass die hier entwickelte Vorgangsweise besonders für unbeobachtete Einzugsgebiete relevant ist. Das neue prozessorientierte Modellierungskonzept kann beitragen zu einer Verbesserung des Verständnisses der Wasserbilanzen unterschiedlicher Landschaftseinheiten unter heutigen und veränderten Klimabedingungen, und des Wechselspiels hydrologischer und ökologischer Prozesse.