Modelling hydrologically relevant structures and processes of the initial development phase of a man-made catchment

Diese Dissertation behandelt die modellgestutzte Untersuchung hydrologisch relevanter Strukturen und Prozesse in der initialen Entwicklungsphase des 6 ha grossen, kunstlich geschaffenen Einzuggebiets ‘Huhnerwasser’ (Cottbus, Deutschland). Im Einzugsgebiet wurde ein stark nichtlinearer Zusammenhang zwischen gemessenem Niederschlag und Gesamtabfluss beobachtet. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein neues perkolationstheoretisches Modell entwickelt, um den Gebietsabfluss sowie unterirdische Fliesspfade zu simulieren. Das plotzliche Eintreten einer hohen hydrologischen Konnektivitat zwischen Bodenelementen wurde als Schlu¨sselfaktor zur Erklarung des nichtlinearen Abflussverhaltens ermittelt. Die initiale Entwicklungsphase des Einzugsgebiets war gekennzeichnet von Erosionsrillenbildung durch Oberflachenabfluss. Im zweiten Teil der Arbeit wurden zwei Modelle entwickelt, um die Rillenentstehung zu beschreiben. Das erste Modell basiert auf dem Prinzip der selbstorganisierten Kritikalitat (SOK). Erosion und Deposition sind dabei abhangig von der lokalen kritischen Scherspannung. Das zweite Modell basiert auf der Manning-Gleichung und wurde entwickelt, um die Resultate des SOK-Modells mit jenen eines einfachen, aber physikalisch basierten Ansatzes zu vergleichen. Beide Modelle waren in der Lage die raum-zeitliche Entwicklung der Rillen und Rilleneigenschaften (Lange, Tiefe) in der richtigen Grossenordnung darzustellen. Im dritten Teil der Arbeit wurde ein neues hydrologisches Modell konzipiert, um Nachteile gegenwartiger Modelle anzugehen. Die Beschreibung des Wassertransportes durch diskrete Volumeneinheiten erlaubt dabei die Simulation von nichtlinearen Abflussprozessen, Transportzeiten und die Entwicklung von Makroskala-Mustern (z.B. Fliesspfaden) mit ein und derselben Modellstruktur. Erste vielversprechende Simulationen konnten Transportzeiten und die zeitliche Entwicklung von Fliesspfaden sowie die Auswirkung von Rillen auf die Quantitat der Abflusskomponenten aufzeigen.