Hydrological modeling has become a widely accepted theoretical tool for water resources engineering and management. Rainfall-runoff models are used both for short and medium time management (for example flood forecasting) and long-time design purposes. However, the application of hydrological models is limited due to several reasons. One important limitation is imposed by the availability of data and parameter estimation. Discharges are only measured at a few selected river cross sections, leading to a small number of catchments for which the runoff calculated from the models might be verified. Further, the high spatial and temporal variability of the meteorological input (such as precipitation, temperature or wind) cannot fully be captured by the usually small number of meteorological stations. Radar measurement of precipitation can provide more detailed space time information on precipitation but unfortunately the reliability of the data is at present still low. Other influencing factors such as soil properties also vary considerably in space and even to some extent in time (for example macropores in soils). These problems among others make models which are based on physical principles only infeasible for many practical applications. Models which to some extent use analogous concepts can partly smoothen out the effects of variability and thus can often be successfully used for practical purposes. The limitation of these models lies in the fact that some of their parameters are not directly related to physically measurable quantities. Therefore those have to be estimated from observations using calibration techniques. 
This research work was aimed at developing an efficient, practical and robust methodology for parameter estimation (calibration) for a reliable hydrological modeling at gauged and ungauged basin. The main focus of this research was to bring more insight into the process of parameter estimation techniques in hydrological modeling. The other objective of this research work was to develop a methodology that enables regional estimation of parameters of a conceptual continuous water balance model based on physical catchment descriptor, which includes the land use, soil type, stream network, elongation and topographic attributes of the catchment. It aims at improving the weakness inherent in the traditional two-step regionalization approach in estimating the relationship between the model parameters and the physical catchment descriptor. The specific objectives of the research were to answer some basic question as listed below:

- How can we estimate hydrologically reliable parameters for modeling?
- How do different objective functions map parameter space during calibration?
- Can we calibrate a hydrological model using carefully selected critical events?
- Can we improve prediction and model diagnosis by including dynamic variability in parameters?
- How can we extend hydrologically reliable parameters from gauged to ungauged basins?

In this research, several algorithms, for example, ROPE, SRWP, HOP, ICE, RDPE and SAV algorithm were developed to answer the basic questions mentioned above. These algorithms were very useful for the robust and reliable hydrological modeling in gauged and ungauged basins. 
Die hydrologische Modellierung ist zu einem anerkannten theoretischen Hilfsmittel in der Wasserwirtschaft geworden. Niederschlagsabflussmodelle werden sowohl fur kurz und mittelfristige Fragestellungen (wie z.B. Hochwasservorhersage), als auch fur langfristige Planungszwecke eingesetzt. Allerdings ist der Einsatz von hydrologischen Modellen aus verschiedenen Grunden beschrankt. Eine wesentliche Einschrankung fur den Einsatz von hydrologischen Modellen ist die Datenverfugbarkeit und die Parameterabschatzung. Abflusse werden nur an einzelnen ausgewahlten Flussquerschnitten gemessen, weshalb es nur eine geringe Anzahl von Einzugsgebieten gibt, fur die der berechnete Abfluss nachgepruft werden kann. Des Weiteren kann die hohe raumliche und zeitliche Variabilitat der meteorologischen Eingangsdaten wie Niederschlag, Temperatur oder Wind nicht vollstandig von der in der Regel geringen Anzahl an Wetterstationen erfasst werden. Radarmessungen konnen eine detailliertere raumliche und zeitliche Auflosung des Niederschlags liefern, allerdings ist die Verlasslichkeit dieser Daten immer noch gering. Andere beeinflussende Faktoren, wie z.B. Bodeneigenschaften, variieren raumlich ebenfalls deutlich und in manchen Fallen sogar zeitlich (z.B. Makroporen im Boden). Durch diese und andere Probleme sind physikalisch-basierte Modelle fur viele praktische Anwendungen nicht verwendbar. Verschiedene Modelle, die auf teilweise gleichen Konzepten basieren, konnen die Einflusse der Variabilitat herausfiltern und somit oft erfolgreich fur praktische Aufgaben eingesetzt werden. Die Einschrankung bei solchen Modellen beruht darauf, dass einige ihrer Parameter nicht direkt mit physikalisch messbaren Grosen zusammenhangen. Deshalb mussen solche Parameter durch Beobachtungen mit Hilfe von Kalibrierungsmethoden abgeschatzt werden.
Das Ziel dieser Forschungsarbeit war die Entwicklung von effektiven, praktischen und stabilen Methoden der Parameterabschatzung, welche fur eine zuverlassige hydrologische Modellierung sowohl in beobachteten als auch in unbeobachteten Einzugsgebieten eingesetzt werden sollen.
Der Schwerpunkt wurde darauf gelegt, einen vertieften Einblick im Prozess der Parameterschatzung in der hydrologischen Modellierung zu bekommen. 
Ein weiteres Ziel war die Entwicklung einer Methodik zur regionaler Parameterschatzung eines auf physikalischen Eigenschaften des Einzugsgebietes basierendes konzeptionelles kontinuierliches Wasserbilanzmodells. Unter den physikalischen Eigenschaften befinden sich Landnutzung, Bodentyp, Struktur und Lange des Flussnetzwerks sowie die Topographie des Einzugsgebietes.
Durch Schatzung der Beziehung zwischen den Modellparametern und den physikalischen Grosen im Einzugsgebiet zielt es die Methodik an, die im traditionell zweistufigen Regionalisierungsansatz angeborenen Schwachstellen zu mindern. Ferner sollten grundsatzliche Fragen beantwortet werden, wie z.B.:

-	Wie konnen die fur das Modellieren hydrologisch zuverlassige Parameter abgeschatzt werden?
-	Wie bilden unterschiedliche Zielfunktionen den Parameter-Raum wahrend der Kalibration ab?
-	Kann ein hydrologisches Modell mit sorgfaltig ausgewahlte kritischen Ereignisse kalibriert werden?
-	Konnen Vorhersage und Modelldiagnose durch Einschluss dynamischer Variabilitat in Parametern verbessert werden?
-	Wie konnen hydrologisch zuverlassige Parameter von beobachtete auf unbeobachtete Einzugsgebiete ausgeweitet werden?

In dieser Forschungsarbeit wurden zur Beantwortung der obenerwahnten Fragen mehrere Algorithmen (z.B. ROPE, SRWP, HOP, ICE, RDPE und SAV) entwickelt. Diese haben sich fur eine robuste und zuverlassige hydrologische Modellierung sowohl in beobachteten als auch in unbeobachteten Einzugsgebieten als sehr nutzlich erwiesen.

Robust parameter estimation in gauged and ungauged basins

Coupling Models of Different Complexity for the Simulation of CO2 Storage in Saline Aquifers

The complexity and dynamic nature of ecosystem processes impose high requirements on the approaches, methods and modelling techniques applied to support ecological assessments of rivers. Particularly the interactions of abiotic and biotic variables, the high spatial and temporal variability of parameters and processes and the interdisciplinary research field present a special challenge on the development of appropriate tools. Given the naturally dynamic creation, destruction and maintenance of habitat templates in rivers (habitat dynamics) the habitat can be regarded as a basic element of fluvial ecosystems. Accordingly, high demands are placed on aquatic habitat modelling techniques emphasizing the need for the improvement and further development of existing approaches.
The present study predominantly addresses three research fields encompassing the hydromorphology, the fluvial ecology and the hyporheic interstitial of rivers. All disciplines are involved by interacting processes defining the quality of reproduction habitats for gravel-spawning fish. This work is focused on implementing the hydromorphological and hyporheic variability in physical habitat modelling considering all variables that describe the habitat in their spatial and temporal variability to allow a dynamic representation of habitat suitability. The reproduction period of gravel-spawning fish works as an excellent indicator for interstitial habitats, as the life-stages during reproduction are characterised by high requirements on the habitat. Based on the abiotic description of the environment a multi-step habitat modelling framework is developed that addresses each life-stage during the reproduction by an appropriate selection of key habitat variables that are linked via a multivariate fuzzy-logic model to simulate habitat suitability indices of each life stage during the reproduction period. The last step of the modelling framework includes the aggregation of the dynamic habitat values to a temporally integrated parameter and the final result of the modelling framework, the reproduction habitat suitability.
The proposed multi-step habitat modelling framework is applied in a mountainous river reach downstream of a dam and produced reliable results. The simulated habitat suitability indices for each life-stage during reproduction allow for a representation of physical habitats in the form of spatial distribution maps for different time-steps, time-series for different locations and an integrated habitat supply over the entire reproduction period. This provides highly valuable information about habitat dynamics as all spatially and temporally varying input variables are considered in the multi-step habitat modelling framework. Consequently a direct identification of occurring bottlenecks during the reproduction of brown trout is feasible and can be referred back to responsible habitat variables. In the case study it is found that the spawning and emergence stages are not limiting the reproduction success and the most restricting conditions occurred during hatching. These limitations are predominantly caused by critical temperatures during the winter season and critical permeability conditions due to sediment infiltration processes during the regulated flow period. The aggregated reproduction habitat suitability contains the summarized effects of all varying abiotic conditions during the reproduction period of gravel-spawning fish and allows for a quick identification of the availability and quality of reproductive habitats.
Although the obtained results provide valuable results it is worth noting that models in general are never able to fully reflect the dynamic behaviour of rivers and its ecological relations given their numerous and complex interactions. The simplification of the physical and ecological processes requires a well-founded verification of obtained simulation results against field observations and reference sites. The highest benefit of the proposed modelling framework comprises the spatial and temporal consideration of conventional and new habitat variables resulting in a detailed representation of habitat dynamic processes occurring in river reaches. Further, the presented work is the first attempt to simulate the quality of reproduction habitats for gravel-spawning fish using physical habitat modelling. Possible future applications predominantly include the support of ecological impact assessments but also the applicability as an instrument supporting the management and planning processes of restoration measures (e.g. for re-establishing reproducing fish population in rivers) as the simulation of reproduction habitats presents one fundamental process for the development of stable fish populations. 
Die Komplexitat und Dynamik fluvialer okologischer Prozesse stellt auserst hohe Anforderungen an die Entwicklung von Methoden und Modellen zur Unterstutzung in okologischen Bewertungen von Fliesgewassern. Insbesondere die Interaktion zwischen abiotischen und biotischen Komponenten, die hohe raumliche und zeitliche Variabilitat sowie die Interdisziplinaritat der beteiligten Prozesse erschweren die Entwicklung geeigneter Modellierungs- und Prognosewerkzeuge. Die regelmasige Erzeugung, Zerstorung und Erhaltung von charakteristischen Habitatmustern (Habitatdynamik) sind grundlegende Prozesse fluvialer Okosysteme, die mit aktuell verfugbaren Habitatmodellen schwierig abzubilden sind und die Notwendigkeit der Weiterentwicklung von existierenden Ansatzen der Habitatmodellierung verdeutlichen. 
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Prozessen aus der Hydromorphologie, der Fliesge-wasserokologie und des hyporheischen Interstitials, die interaktiv die Habitatqualitat wahrend der Reproduktion von kieslaichenden Fischarten bestimmen. Die Motivation dieser Arbeit resultiert aus der wachsenden Anforderung dynamische Prozesse, wie die hydromorphologische und hyporheische Variabilitat in die physikalische Habitatmodellierung von Fischen zu implementieren um somit die Simulation von dynamisch veranderlichen Habitateignungen zu ermoglichen. Der Fokus richtet sich hierbei auf morphodynamische Prozesse, wie Kornsortierungen (longitudinal, horizontal und vertikal), Infiltration von Feinsedimenten in das Korngerust der Gewassersohle und Sohlumlagerungen, die einerseits notwendig sind um geeignete Habitate zu erzeugen aber andererseits auch limitierend wirken konnen. Um den Habitatanspruchen wahrend der Reproduktion durch Modellierung gerecht zu werden besteht weiterhin der Bedarf an der Entwicklung eines geeigneten Indikators zur Beschreibung der hyporheischen Variabilitat. Dieser soll dazu dienen den interstitialen Lebensraum wahrend den Entwicklungsstadien des Inkubationszeitraums (Augenpunktstadium, Schlupfzeit und larvale Phase) entsprechend zu bewerten. Das primare Ziel ist daher die Entwicklung eines Modellsystems, basierend auf dem Prinzip der physikalischen Habitatbeschreibung um die raumlich und zeitlich variierenden Habitateignungen der einzelnen Entwicklungsstadien wahrend der Reproduktionsphase von kieslaichenden Fischarten zu simulieren und zu einem aggregierenden Gesamtergebnis - der Reproduktionshabitateignung - zusammenzufuhren. 
Das Modellsystem wird in einer typischen Gebirgsstrecke unterhalb einer Staumauer angewendet. Die Berucksichtigung von raumlich und zeitlich variierenden Habitatvariablen erlauben die simulierten Habitateignungen der einzelnen Entwicklungsstadien wahrend der Reproduktion kieslaichender Fische in Form von Habitateignungskarten zu verschiedenen Zeitpunkten, Habitateignungsganglinien an verschiedenen Orten und als integrierendes Habitatangebot darzustellen und auszuwerten. Damit wird einerseits die Habitatdynamik beschrieben und andererseits bieten die Auswertungen die Moglichkeit limitierende abiotische Randbedingungen sowohl zeitlich als auch raumlich zuzuordnen. Einschrankend ist jedoch festzuhalten, dass insbesondere der hyporheische Austausch in Zukunft verstarkt in der abiotischen Beschreibung der Habitate zu berucksichtigen ist und eine fundierte Uberprufung anhand biologischer Untersuchungen notwendig ist, um die Belastbarkeit der Ergebnisse zu erhohen. 
Obwohl die erzielten Ergebnisse eine hohe Bedeutung fur die Bewertung der Reproduktion kiesaichender Fischarten beinhalten, bleibt festzuhalten, dass Modelle nie die gesamte fluviale Dynamik und deren Interaktion mit okologischen Prozessen abbilden konnen. Die Vereinfachung physikalischer und okologischer erfordern eine ausfuhrliche und wohlbedachte Verifizierung der erhaltenen Simulationsergebnisse anhand von Naturdaten und Referenzbedingungen. Die Weiterentwicklung der physikalischen Habitatmodellierung im Rahmen dieser Arbeit besteht masgeblich aus der raumlich und zeitlich hochaufgelosten Verwendung von bestehenden und neuen Habitatvariablen. Diese erlauben eine detaillierte Abbildung der relevanten abiotischen Prozesse in Fliesgewassern in ihrem zeitlichen Verlauf und somit Aussagen uber die Habitatdynamik. Des Weiteren stellt das Modellsystem erstmals den Versuch dar, die Reproduktionshabitate von kieslaichenden Fischarten im Rahmen einer physikalischen Habitatmodellierung abzubilden. Aufgrund der beinhalteten Dynamik und der Prognosefahigkeit des Modellsystems bestehen Anwendungsmoglichkeiten vorwiegend im Rahmen von okologischen Untersuchungen und Bewertungen, aber auch in der Planung und dem Management wasserwirtschaftlicher und wasserbaulicher Masnahmen, die zum Beispiel auf eine Wiedereinfuhrung von reproduzierenden Fischpopulationen abzielen, da die Simulation von verfugbaren Reproduktionshabitaten eine fundamentale Grundlage fur die nachhaltige Entwicklung von stabilen gewassertypischen Fischpopulationen ist.

Modelling approach for interstitial sediment dynamics and reproduction of gravel-spawning fish

Automatic and multi-objective calibration of hydrodynamic models is still underdeveloped, in particular, in comparison with other fields such as hydrological modeling This is for several reasons: lack of appropriate data, the high degree of computational time demanded, and a suitable framework These aspects are aggravated in large-scale applications There are recent developments, however, that improve both the data and the computing constraints Remote sensing, especially radar-based techniques, provide highly valuable information on flood extents, and in case high precision Digital Elevation Models (DEMs) are present, also on spatially distributed inundation depths With regards to computation, the use of parallelization techniques brings significant performance gains In the presented study, we build on these developments by calibrating a large-scale one-dimensional hydrodynamic model of the whole Mekong Delta downstream of Kratie in Cambodia: We combine in-situ data from a network of river gauging stations, ie data with high-temporal but low-spatial resolution, with a series of inundation maps derived from ENVISAT Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) satellite images, ie data with low-temporal but high-spatial resolution, in a multi-objective automatic calibration process It is shown that this kind of calibration of hydrodynamic models is possible, even in an area as large-scale and complex as the Mekong Delta Furthermore, the calibration process reveals deficiencies in the model structure, ie the representation of the dike system in Vietnam, which would be difficult to detect by a standard manual calibration procedure 
In the last part of the dissertation the established hydrodynamic model is combined with flood frequency analysis in order to assess the flood hazard in the Mekong Delta It is now common to state that climate change can lead to a change in flood hazard Starting from this assumption, this study develops a novel approach for flood hazard mapping in the Mekong Delta Typically, flood frequency analysis assumes stationarity and is limited to extreme value statistics of flood peaks Both, the stationarity assumption and the limitation to univariate frequency analysis remain doubtful in the case of the Mekong Delta, because of changes in hydrologic variability and because of the large relevance of the flood volume for the impact of flooding Thus, besides the use of the traditional approach for flood frequency analysis, this study takes non-stationarity and bivariate behavior into account Copula-based bivariate analysis is used to model the dependence and to generate pairs of maximum discharge and volume, by coupling their marginal distributions to gain a bivariate distribution In addition, based on cluster analysis, groups of characteristic hydrographs are identified and synthetic flood hydrographs are generated These hydrographs are the input for the calibrated large-scale hydrodynamic model of the Mekong Delta, resulting in flood hazard maps for the whole Mekong Delta To account for uncertainty within the hazard assessment, a Monte Carlo framework is applied yielding probabilistic hazard maps
 
Die automatische und mehrkriterielle Optimierung von hydro-dynamischen Modellen ist im Vergleich zu anderen Disziplinen, beispielsweise der Hydrologie, noch immer ruckstandig Hierfur gibt es mehrere Grunde: den Mangel von geeigneten Daten, den hohen Bedarf an Rechenleistung und ein geeignetes System Diese Punkte verstarken sich bei grosskaligen Anwendungen, aber aktuelle Entwicklungen verbessern sowohl die Datenlage als auch die Rechensituation Radar basierte Fernerkundungsdaten liefern wertvolle Informationen uber die Ausdehnung von Uberschwemmungen und geben in Kombination mit sehr genauen digitalen Gelandemodellen eine raumliche Verteilung von Wasserstanden auf Uberflutungsflachen In Bezug auf die Rechensituation entstehen durch die Parallelisierung von Modellen grose Leistungsgewinne In dieser Studie habenwir diese Entwicklungen genutzt, um ein ein-dimensionales hydro-dynamisches Modell fur das gesamte Mekong Delta flussabwarts von Kratie in Kambodscha zu kalibrieren Wir haben in-situ Daten eines Netzwerkes von Pegelstationen - mit hoher zeitlicher, aber geringer raumlicher Auflosung - und eine Serie von Uberschwemmungskarten verwendet Letztere wurden aus ENVISAT-ASAR Satelliten Bildern abgeleitet und sind durch eine geringe zeitliche, aber hohe raumliche Auflosung gekennzeichnet Diese Datensatze werden in einer multikriteriellen, automatischen Kalibrierung kombiniert Es wird gezeigt, dass eine solche Kalibrierung auch in einem grosskaligen und komplexen Untersuchungsgebiet wie dem Mekong Delta moglich ist Weiterhin identifiziert der Kalibrierungsprozess Mangel in der Modellstruktur, besonders in Bezug auf die Reprasentation des Deich-Systems in Vietnam, die durch eine manuelle Kalibrierung nur schwer erfasst worden waren 
Das entwickelte hydrodynamische Modell wird im letzten Teil der Dissertation mit einer Hochwasserhaufigkeitsanalyse gekoppelt, um die Hochwassergefahrdung im Mekong Delta abzuschatzen Es wird heute davon ausgegangen, dass der Klimawandel zu einer Veranderung der Hochwassergefahrdung betragt Auf Grundlage dieser Annahmeentwickelt diese Studie einen neuartigen Ansatz zur Abbildung der Hochwassergefahrdung im Mekong Delta Normalerweise gehen Hochwasserhaufigkeitsanalysen von der Annahme der Stationaritat aus und beschranken sich auf die univariate Analyse von Scheitelwerten Diese beiden Aspekte erscheinen fur das Mekong Delta zweifelhaft, weil (1) eine Anderung der Variabilitat des Hochwassergeschehens nachgewiesen wurde, und (2) das Volumen der Hochwasserwelle signifikante Auswirkungen auf die Hochwasserschaden hat Aus diesem Grund werden neben der traditionellen Analyse auch die Nichtstationaritatsowie die Abhangigkeit zwischen Scheitelwert und Volumen berucksichtigt Eine bivariate, auf der Copula - Verteilung basierte Analyse wird genutzt, um die Abhangigkeit zu modellieren und im Anschluss Paare von maximalen Abfluss- und Volumenwerten zu generieren Aus der Kopplung der Randverteilungen resultiert eine bivariate Verteilung Zusatzlich werden uber eine Cluster-Analyse charakteristische Gruppen von Ganglinien identifiziert und zur Generierung von synthetischen Hochwasserganglinien herangezogen Diese Ganglinien werden als Input fur das entwickeltegrosskalige hydro-dynamische ModellverwendetDamit wird es moglich, eine Hochwassergefahrdungsanalyse fur das gesamte Mekong Delta durchzufuhren Um der Unsicherheit Rechnung zu tragen, werden probabilistische Gefahrdungskarten mit Hilfe einer Monte Carlo Simulation erstellt

Multi-objective automatic calibration of hydrodynamic models - development of the concept and an application in the Mekong Delta

Copulas are a novel tool in geostatistics that allows modelling of pure spatial dependence independently of the marginal distribution and without an assumption of multivariate Gaussian dependence. By using a transformation via the marginal distribution, the effect of extreme values is substantially decreased compared to traditional Gaussian based geostatistical measures such as Kriging. Additionally, the dependence is not described as an average variance as in Kriging, but a different degree of dependence can be modelled for different quantiles of the marginal distribution.
Two data-sets from field sites at Borden and North Bay, both in Ontario, Canada, were used to test the performance of copulas as stochastic models for spatial dependence. Furthermore, this thesis explores possible effects of modelling spatial dependence using non-Gaussian copulas on physical properties that are based on such heterogeneous fields. For comparison, the effects of Gaussian structures are evaluated. The Gaussian- and non-Gaussian structures can not be distinguished by their variograms.
It was shown that neither of the two data-sets exhibits Gaussian dependence – despite the fact that the Borden aquifer is commonly thought of as a relatively homogeneous porous medium with a small variance of hydraulic conductivity. Two non-Gaussian copula models, v-copulas and maximum Gaussian copulas were fitted to the hydraulic conductivity data, to be compared with a Gaussian copula model. The theoretical copula models were subsequently used for spatial interpolation and simulation.
In addition to evaluating the spatial dependence structure of the hydraulic conductivity data-sets, fitting theoretical copula models and using them for interpolation and simulation, the goal of this thesis is to explore if the structure of the hydraulic conductivity field influences a physical property, such as plume evolution as evaluated by second central moments of concentration fields.
Despite the fact that Borden is a relatively homogeneous porous medium, and despite the fact that both types of spatial fields are not distinguishable by their variograms, the solute transport characteristics based on these two types of fields differ significantly in two- dimensional settings. The difference is less pronounced in three-dimensions. Non-Gaussian dependence can lead to a non-symmetric distribution of variance of concentration along the main direction of flow. Increasing the variance of a marginal distribution by a certain factor does not necessarily lead to a dispersivity increased by the same factor in the case of non-Gaussian fields. It is postulated that non-Gaussian spatial dependence of hydraulic conductivity and a more skewed marginal distribution of hydraulic conductivity will have significant implications in the other more heterogeneous aquifers. 
Mit Hilfe von Copulas, einem neuen Werkzeug der Geostatistik, kann eine reine Zusammenhangsstruktur unabhangig von Randverteilungen modelliert werden - ohne dass Annahmen bezuglich eines Gauss-Zusammenhangs getroffen werden mussen. Durch die Transformation uber die Randverteilungsfunktion wird der Einfluss von Extremwerten im Vergleich zu traditionellen geostatistischen Methoden die auf Gauss-Annahmen beruhen, wie zum Beispiel Kriging, substantiell reduziert. Ausserdem wird die Abhangigkeit nicht durch eine durchschnittliche Varianz beschrieben, wie es der Fall bei Kriging ist. Vielmehr kann ein unterschiedlich starker Zusammenhang fur verschiedene Quantile der Randverteilung beschrieben werden.
Als Datengrundlage dienen zwei Datensatze hydraulischer Leitfahigkeit gemessen in Aquiferen bei Borden und North Bay, beide in Ontario, Kanada. Diese werden benutzt, um Copulas als stochastische Modelle fur raumliche Abhangigkeit zu verwenden und zu prufen. Daruber hinaus werden in dieser Dissertation die Effekte der angepassten nicht-Gauss Zusammenhangstruktur auf physikalische Eigenschaften untersucht, die auf heterogenen raumlichen Feldern beruhen. Zum Vergleich werden ebenfalls Effekte basierend auf Gauss Zusammenhangstrukturen untersucht. Beide Typen von Strukturen - Gauss und nicht-Gauss - sind so modelliert, dass sich ihr Variogram nicht unterscheidet.
Es wird gezeigt, dass keiner der beiden Datensatze einen raumlichen Zusammenhang mit Gauss-Struktur besitzt - obwohl der Aquifer von Borden als ein relativ homogenes poroses Medium mit einer kleinen Varianz in hydraulischer Leitfahigkeit angesehen wird. Zwei asymmetrische Copula Modelle mit nicht-Gauss Zusammenhang, v-Copulas und maximum-Gauss Copulas, wurden an die beiden Datensatze hydraulischer Leitfahigkeit angepasst und mit entsprechenden Gauss-Copula Modellen verglichen. Diese theoretischen Copula Modelle wurden im folgenden fur raumliche Interpolation und Simulation verwendet.
Neben der Evaluierung der raumlichen Abhangigkeitsstruktur der beiden Datensatze hydraulischer Leitfahigkeit, der Anpassung von theoretischen Copula Modellen an die beiden Datensatze und raumlicher Simulation und Interpolation ist das Ziel dieser Dissertation zu quantifizieren, wie die raumliche Struktur der hydraulischen Leitfahigkeit eine physikalische Eigenschaft beeinflusst, wie zum Beispiel das Ausbreitungsverhalten von Geloststoffen im Untergrund, gemessen an raumlichen Momenten der Geloststoff-Fahne.
Obwohl der Borden-Aquifer ein relativ homogenes poroses Medium ist, und obwohl beide angepassten Typen raumlicher Abhangigkeitsstrukturen sich nicht in ihren Variogrammen unterscheiden, unterscheiden sich die Geloststoff-Transporteigenschaften basierend auf den beiden Typen des raumlichen Zusammenhangs signifikant, in zwei und in drei Dimensionen. Weiterhin kann ein nicht-Gauss Zusammenhang in hydraulischer Leitfahigkeit zu einer asymmetrischen Verteilung der Varianz der Geloststoff-Fahne in Hauptausbreitungsrichtung fuhren. Eine Erhohung der Varianz in der Randverteilung bei nicht-Gauss raumlichen Zusammenhang fuhrt nicht zu einer Erhohung der Dispersivitat um den gleichen Faktor. 
Es wird postuliert, dass nicht-Gauss raumlicher Zusammenhang und eine schiefere Randverteilung hydraulischer Leitfahigkeit signifikante Auswirkungen in anderen mehr heterogenen Aquiferen haben wird.

Analysis of real-world spatial dependence of subsurface hydraulic properties using copulas with a focus on solute transport behaviour

In this thesis, a conceptual model is developed and implemented in a numerical model that is capable of modelling flow and transport processes considering structural alterations of the porous medium phenomenologically. Thus, the model bridges the gap between pure flow and transport models on the one hand and structural mechanics models on the other hand.
The flow and transport model is a non-isothermal two-phase two-component model including advection and convection, diffusion, thermal conduction, vaporisation and condensation as well as dissolution and degassing. The structural alterations are accounted for phenomenologically by constitutive relations describing the impact of the structural alterations on the flow and transport behaviour. The following effects of the structural alterations are considered: immobilisation and mobilisation of water in the soil matrix, change in total volume and porosity as well as the impact the changes in total volume and porosity have on the hydraulically relevant processes. Based on a model-intercomparison study, it could be shown that the model can reproduce the flow and transport processes in a swelling soil and that the correct parameters can be determined by inverse modelling. 
Stromungs- und Transportprozesse in schwellenden / schrumpfenden Boden, wie sie zum Beispiel in tonhaltigen Deponiebasisabdichtungen auftreten, werden masgeblich von den Strukturveranderungen des porosen Mediums beeinflusst.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Modellkonzept entwickelt und in einem numerischen Modell implementiert, das sowohl Mehrphasenstromungs- und -transportprozesse in porosen Medien als auch Strukturveranderungen des porosen Mediums umfasst. Dabei handelt es sich um ein nichtisothermes Zweiphasen-Zweikomponenten-Model, das die Stromungs- und Transportprozesse Advektion und Konvektion, Diffusion, Warmeleitung, Verdunstung und Kondensation der Flussigphase sowie Losung und Entgasung der Gasphase einbezieht. Die Strukturveranderungen, deren Auswirkungen auf das Stromungs- und Transportverhalten phanomenologisch mittels konstitutiver Beziehungen berucksichtigt werden, sind Immobilisierung und Mobilisierung von Wasser in der Bodenmatrix, Anderung des Gesamtvolumens und der Porositat sowie deren Einfluss auf die hydraulisch relevanten Prozesse.
Zur Validierung des Modells wird eine Modellvergleichsstudie durchgefuhrt, die zeigt, dass erstens das Modell geeignet ist, die Stromungs- und Transportprozesse in schwellenden Boden zu simulieren, und zweitens alle dafur benotigten Parameter mittels inverser Modellierung korrekt bestimmt werden konnen.

Sandra Freiboth

Papers

A phenomenological model for the numerical simulation of multiphase multicomponent processes considering structural alterations of porous media