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

Classification has been considered a fundamental step towards improved catchment hydrology science. Catchments classification has been traditionally carried out via Linnaeus-type cluster analysis, mainly represented by hierarchical approaches and methods based on partitioning of hydrological data set. This paper proposes a new scheme where the classification procedure is based on similarity interpreted as distances between catchments. The similarity or distance is defined under the following premises:

1. similar catchments behave similarly;
2. similarity can be described with catchments' characteristics; and
3. hydrological models are able to capture catchments' similarity.

If many sets of model parameters lead to similar model performance for two catchments, they are considered as similar catchments. To implement the proposed scheme, two procedures, namely multidimensional scaling (MDS) and local variance reduction (LVR), are undertaken to construct a configuration of n catchments' characteristics in Euclidean space using information about similar performance between the catchments. The MDS is used to determine the appropriate dimension of the Euclidean space and the LVR is used to obtain the transformation matrix and the coordinates in the transformed Euclidean space. This scheme avoids the idea of parametric regression-based regionalization approaches where a regression function is pre-defined between model parameters and catchment descriptors. In the aforementioned approach, the function that is selected is usually subjective and arbitrary and one can also argue that a priori function is neither able to represent the highly complex hydrological processes nor consider the interdependences amongst model parameters.

The proposed scheme is initially tested with a research version of the HBV-IWS model on a number of catchments within the Rhine Basin. Additionally a modified Xinanjiang model is applied to the same catchments to check if the assumption of invariant catchment similarity holds true. Invariant catchment similarity here assumes the catchments genuinely carry their similarities independent of the model used for simulation. This test is also a backstop measure to determine if the models under consideration are capturing the underlying simplified hydrological processes in a rational manner. The scheme will be extended to regional calibration of rainfall runoff models as well as regional drought or flood studies once similarity within catchments has been established. The proposed scheme will eventually contribute to the PUB (Predictions in Ungauged Basins) initiative. 
Klassifikationsverfahren sind ein fundamentaler Schritt in Richtung besserer Einzugsgebietshydrologie. Einzugsgebietsklassifikation wurde traditionell durch Linnaeus-Cluster Analysis, hauptsachlich basierend auf hierarchischen Ansatzen und Methoden der Partitionierung hydrologischer Datensatze, durchgefuhrt. Diese Arbeit schlagt ein neues Schema vor, bei dem die Klassifikation auf Ahnlichkeit, interpretiert als Abstand zwischen Einzugsgebieten, basiert. Die Ahnlichkeit oder Distanz wird unter den folgenden Voraussetzungen definiert:

1. Ahnliche Einzugsgebiete verhalten sich ahnlich.
2. Ahnlichkeit kann durch Gebietseigenschaften beschrieben werden.
3. Hydrologische Modelle konnen die Ahnlichkeit von Einzugsgebieten abbilden.

Wenn viele Parametersatze eines Modells bei zwei Einzugsgebieten zu gleicher Modelleffizienz fuhren, konnen sie als ahnliche Gebiete bezeichnet werden. Um das vorgeschlagene Schema zu implementieren, wurden zwei Verfahren, namlich multidimensional scaling (MDS) und local variance reduction (LVR), angewandt, um eine Konfiguration von n Gebietseigenschaften im Euklidischen Raum, basierend auf Informationen uber ahnliche Modelleffizienz, zu konstruieren. MDS wird benutzt, um die notwendige Dimension des Euklidischen Raums zu ermitteln und mit LVR werden die Transformationsmatrix und die Koordinaten im transformierten Euklidischen Raum bestimmt. Die Methode umgeht die Idee der parametrischen, regressionsbasierten Regionalisierungsansatze, bei denen eine Regressionsbeziehung zwischen Modellparametern und Gebietseigenschaften vorgegeben wird. Dabei wird die Form der Beziehung normalerweise subjektiv und willkurlich gewahlt und man kann argumentieren, dass diese a proiri definierte Funktion weder die hochkomplexen hydrologischen Prozesse noch die Abhangigkeiten zwischen Modellparametern wiedergeben kann.

Die vorgestellte Methode wird zuerst mit einer Forschungsversion des HBV Modells und einigen Teileinzugsgebieten des Rheins getestet. Zusatzlich werden die Ergebnisse mit dem Resultat einer Anwendung des modifizierten Xinanjiang Modells der selben Einzugsgebiete verglichen, um zu uberprufen, ob die Annahme der invarianten Gebietsahnlichkeit gultig ist. Invariante Gebietsahnlichkeit nimmt in diesem Fall an, dass die Einzugsgebiete selbst, unabhangig vom gewahlten Modell, ihre Ahnlichkeit in sich tragen. Dieser Test stellt auch sicher, dass die gewahlten Modelle die zu Grunde liegenden hydrologischen Prozesse sinnvoll abbilden konnen. Die Methode soll auf die regionale Kalibrierung von hydrologischen Modellen und regionale Hoch- und Niedrigwasserstudien erweitert werden, sobald die Ahnlichkeit von Einzugsgebieten erfasst ist. Damit konnte das Verfahren zukunftig zu der PUB Initiative (Predictions in Ungauged Basins) der IAHS (International Association of Hydrological Sciences) beitragen.

Application of a non-parametric classification scheme to catchment hydrology

This study was aimed at developing a practical, robust and physically reasonable methodology for estimation of design flood under data scarce conditions. Due to lack of sufficient discharge data and inconstant hydrological conditions, application of discharge-frequency analysis or calibration of a hydrological model is not always viable. In such cases model parameters are obtained through regionalization procedure. 

The main objective of this study was to derive a regionalization methodology for flood predictions in ungauged catchments, which is strictly based on physically reasonable transfer functions and adequately addresses the problem of parameter equifinality. A possibility of assessment of impact of land use changes on flood characteristics was also investigated during the study.

An event based hourly Nash cascade model was developed to derive the direct runoff hydrograph from rainfall time series. The model was implemented on a semi-distributed scale, i.e. the direct runoff hydrograph is estimated at sub-catchment scale, and then it is routed to the outlet of the catchment using the Muskingum routing procedure. The model uses three parameters, the runoff coefficient (RC), the number of reservoirs (N) and a reservoir constant (K). For ungauged catchments, the model parameters RC, N and K must be estimated through a regionalization procedure. 

The study was conducted using 209 rainfall-runoff events from 41 mesoscale catchments in the south-west region of Germany. Among the 41 catchments, 22 were used for optimization of the regionalization methodology and 19 were used for its validation. Areal rainfall time series for the events were estimated through external drift kriging. Various event and catchment specific hydrological characteristics, describing event specific conditions were estimated for each of the events.

Four different approaches were employed to derive four different transfer functions for RC: a multiple linear transfer function (MLTF), an artificial neural network transfer function (ANNTF), a fuzzy logic transfer function (FLTF) and a logistic transfer function (LoTF). ANNTF, FLTF and LoTF exhibited a high goodness fit performance for the events in the regionalization as well validation set. In order to investigate whether the transfer functions are physically reasonable, validation for physical relationships was carried out by comparing the signs of derivatives of the functional relationships between the predictors and RC, as featured in the transfer functions, with the signs of derivatives of the physical relationships. The validation revealed that the response of ANNTF and FLTF to hydrological changes often conflicts with the response of the physical relationships. On the other hand, the response of LoTF was consistent with that of the physical relationships, which indicates that it is physically reasonable. 

The Nash cascade parameters N and K exhibit strong inter-parameter relationship which can be represented by a power function with an exponent (α = -1.0) and a coefficient β. Therefore, regionalization of K and the coefficient β was carried out, where N can be estimated by using K and the inter-parameter function. The transfer functions were optimized by using mean Nash-Sutcliffe coefficient as an aggregated goodness fit measure for a set of gauged catchments. 

During the optimization and the validation of the transfer functions, highly acceptable aggregated goodness fit performance was achieved, which indicates that the transfer functions are both reliable and efficient at transferring the model parameters to ungauged catchments. The validation of the transfer functions for physical relationships was carried out by comparing the change in the shape of modeled unit hydrograph, due to change in the hydrological characterisics, with the change anticipated from the a priori knowledge of runoff propagation processes. 

The comparisons with the existing common practices, such as SCS curve number method and the Lutz procedure, revealed that for the study area under consideration, the regionalization methodology performs better than the existing practices. The regionalization methodology is built on physically reasonable relationships with event as well as catchment specific hydrological characteristics. Therefore, it is robust and suitable for both the temporal as well as the spatial transfer of the model parameters. The assessment of impact of land use changes on flood characteristics was carried out for three different land use scenarios in the catchment Tubingen. The attempt led to the conclusion that there is a reasonable chance of using such methodology for assessment of impact of land use changes. 
Diese Untersuchung beschaftigte sich mit der Entwicklung einer praktischen, robusten und physisch begrundeten Methodologie zur Schatzung der Bemessungshochwasser und ihrer Eigenschaften in Regionen mit mangelhafter Datengrundlage. Allerdings ist, aus Mangel an ausreichenden Abflussdaten und nicht-stationaren hydrologischen Verhaltnissen, die Anwendung der die Abfluss-Frequenz Analyse oder Kalibrierung eines hydrologischen Modells nicht immer geeignet. In diesem Fall mussen, anstelle der Kalibrierung, die Modell-Parameter mit einem Regionalisierungsverfahren berechnen werden. 

Das Hauptziel dieser Untersuchung war es, eine Regionalisierungsmethodologie zu entwickeln, die auf physisch begrundeten Transfer-Funktionen basiert und das Parameter-Identifizierungs- Problem adaquat berucksichtigt. Zusatzlich wurde untersucht, ob es moglich ist, die Auswirkungen von Landnutzanderungen auf die Hochwasser-eigenschaften zu bewerten.

Es wurde ein ereignisbasiertes Nash-Kaskade-Modell mit einstundiger Auflosung entwickelt, um den Hydrographen des Direktabflusses aus der Niederschlagszeitreihe abzuleiten. Das Modell wurde auf ein semi-flachendifferneziertes Modellgebiet angewendet, d.h. die Abflussganglinie wird fur Untereinzugsgebiet geschatzt, dann die Abflussganglinie an der Mundung des Einzugsgebiet mit Muskingum Routing-Verfahren weiterleitet. Das Modell verwendet drei Modellparameter, den Abfluss Koeffizienten (RC), die Zahl der Reservoire (N) und die Reservoir Konstante (K). Fur unbeobachteten Einzugsgebieten, mussen die Modellparameter RC, N und K durch ein Regionalisierungsverfahren geschatzt werden.

Die Untersuchung wurde mit 209 Niederschlag-Abfluss Ereignissen aus 41 Einzugsgebieten im Sud-Westen von Deutschland durchgefuhrt. Von den 41 Einzugsgebieten, wurden 22 zur Ableitung der Regionalisierungsmethodologie und 19 zur Validierung der Methodologie verwendet. Der Gebietsniederschlag fur die Ereignisse wurde durch Externe-Drift-Kriging abgeschatzt. Fur jedes Regenereignis wurden verschiedene sowohl ereignis-, als auch einzugsgebietsspezifische hydrologische Merkmale bestimmt.

Vier verschiedene Ansatze zur Ableitung vier verschiedener Transfer-Funktionen fur RC wurden verwendet: eine multiple lineare Transfer-Funktion (MLTF), eine neuronales Netzwerk Transfer-Funktion (ANNTF), eine Fuzzy-Logik Transfer-Funktion (FLTF) und eine logistische Transfer-Funktion (LoTF).

Bei der Regionalisierung und Validierung zeigten ANNTF, FLTF und LoTF hohe Anpassungsguten. Um zu untersuchen, ob die Transfer-Funktionen physikalisch sinnvoll sind, wurde eine Validierung des physikalischen Zusammenhangs durchgefuhrt. Die Vorzeichen der Ableitungen des funktionalen Zusammenhangs zwischen Predigtoren und RC in der jeweiligen Transfer-Funktion wurden mit den Vorzeichen verglichen, die sich aus dem Wissen uber den physikalischen Zusammenhang ergeben. Die Validierung zeigte auf, dass die Reaktion der ANNTF und FLTF auf hydrologische Veranderungen oft den physikalischen Beziehungen widerspricht. Auf der anderen Seite hat die Validierung von LoTF fur die physikalischen Beziehungen gezeigt, dass die Vorzeichen der Ableitungen der funktionalen Beziehungen den physikalischen Beziehungen, ubereinstimmen. Somit ist LoTF robust und physisch sinnvoll.

Die Nash-Kaskade Parameter N und K besitzen stark Beziehung mit einander und die mit einer interparametrischen Funktion formulieren kann. Die inter-parametrische Funktion kann durch eine Potenzfunktion mit einem Exponent α = -1,0) und einem Koeffizient (β) reprasentiert werden. Daher wurde eine Regionalisierung von K und β durchgefuhrt, wobei N mittels K und der interparametrischen Funktion geschatzt werden kann. Die Transfer-Funktionen wurden uber den gebietsgemittelten Nash-Sutcliffe Koeffizient (NS) optimiert, als ein aggregiertes Mas der Anpassungsgute fur ein Set an beobachteten Einzugsgebieten.

Die Anpassungsgute Leistung der abgeleitete Regionalisierungsmethodologie bei der Optimierung und der Validierung deutet darauf hin, dass die Methodologie hoch effizient ist zur Abschatzung des Hochwasser in den unbeobachteten Einzugsgebieten. Die Regionalisierungsmethodologie basiert auf physikalisch begrundeten Beziehungen zu Ereignis- und Einzugsgebietspezifischen hydrologischen Merkmalen. 

Der Vergleich mit ublicherweise verwendeten Anwendungen, wie zum Beispiel der SCS-Curve-Number Methode und dem Lutz Verfahren, ergab, dass die Regionalisierungsmethodologie fur das Untersuchungsgebiet zu besseren Ergebnissen fuhrt als die ublichen Anwendungen. Diese Bewertung von Landnutzungsanderungen wurde fur drei verschiedene Landnutzungsszenarien im Einzugsgebiet Tubingen durchgefuhrt. Der Versuch fuhrte zu der Aussage, dass es moglich ist, die Methodologie zur Bewertung der Beeinflussung von Landnutzanderungen anzuwenden.

Regionalization of an event based Nash cascade model for flood predictions in ungauged basins

The concentration of greenhouse gases in the atmosphere has increased due to tremendous human fossil fuel consumption since the Industrial Revolution. This is most likely the cause for an observed global increase in the average temperature and for the changing climate. It is expected that further global warming will have drastic ecological and economic impacts.
No single technology will be sufficient to achieve the necessary emission reductions. Carbon dioxide capture and storage (CCS) is a promising technology which could make a substantial contribution. It is a process which captures CO2 from large local sources and then stores it away from the atmosphere. Storage capacity estimates for deep saline aquifers are most promising. The initial procedure for selecting a few aquifers for a CCS project is called site screening. Aquifers identified in site screening then have to prove their suitability in further investigations. Site screening is a challenging task, since usually few data are available and the prognosis of the complex processes occurring in a reservoir after CO2 injection is difficult.
This study aims at improving the insight into CO2 injection processes in geological formations to assist site screening. The criteria in site screening include the estimation of the storage capacity, which should be sufficient to store the long-term production of the CO2 source, and the long-term ability to store CO2 ,which is related to the efficiency of the project and risk arising due to possible CO2 leakages. At first, the statistical characteristics of storage sites in potential geological formations are calculated by analysis of a large database. The parameter ranges and distributions are used to define typical reservoirs and serve as a basis for generating random reservoir setups respecting statistical characteristics. The relation of forces occurring in reservoirs after CO2 injection is analysed by dimensional analysis. By the identification of dominant forces and processes, reservoirs with different parameter setups are compared with respect to their potential CO2 storage capacity and risk. A sophisticated concept for estimating the CO2 storage capacity of geological formations is developed. Detailed, time-dependent storage-capacity estimates are calculated in numerical experiments. The results are interpreted using the simultaneously calculated ratios of forces. The influence of individual reservoir parameters on storage capacity and risk is investigated in a sensitivity analysis. Finally, a risk analysis on potential
CO2 leakage through pre-existing wells is performed. In numerous numerical experiments, individual parameters are randomly sampled from the statistical parameter distributions and leakage is calculated. A risk surface is derived which represents the average risk for CO2 leakage through pre-existing wells for any site with unknown reservoir properties. 
Aufgrund des enormen Verbrauchs an fossilen Brennstoffen in den letzten 160 Jahren, stieg die Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphare stark an. Dieser Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen ist mit groster Wahrscheinlichkeit die Ursache fur den weltweiten Temperaturanstieg und die beobachteten Klimaveranderungen. Man erwartet, dass ein weiterer Temperaturanstieg zu tiefgreifenden okologischen Veranderungen und okonomischen Belastungen fuhren wird.
Eine einzelne Technologie oder Masnahme wird die notige Verringerung der Treibhausgasemissionen nicht leisten konnen, deshalb muss gleichzeitig eine ganze Reihe an Masnahmen ergriffen werden. Zu diesen Masnahmen gehoren z.B. eine effizientere Energiegewinnung und -nutzung, der Ausbau der Nutzung regenerativer Energien, die erhohte Verwendung treibhausgasarmer Brennstoffe sowie die Abscheidung des CO2 im Abgasstrom von grosen CO2-Produzenten und die anschliesende Einlagerung in tiefe geologische Schichten oder der Tiefsee (CCS). 
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Abscheidung und Speicherung von CO2 in tiefen geologischen Schichten. Mit der vorliegenden Arbeit soll das Prozessverstandnis von CO2 Injektionen in geologische Formationen verbessert werden um die anfangliche Standortauswahl innerhalb einer Region zu unterstutzen. Diese Phase eines Projekts ist typischerweise durch einen Mangel an detaillierten Standortinformationen gekennzeichnet. Um eine Vorauswahl treffen zu konnen, muss dennoch die Speicherkapazitat einer Formation abgeschatzt werden. Auserdem muss die Eignung der Formation das CO2 uber lange Zeitraume sicher verwahren zu konnen nachgewiesen werden. Dieser Nachweis ist notig um den Projekterfolg sicherzustellen sowie eventuelle Risiken zu vermeiden. Die Untersuchung dieser Fragestellungen erfolgt in dieser Arbeit uber die statistische Analyse einer Datenbank relevanter Formationsparameter, sowie uber analytische und numerische Experimente.

Evaluation of CO2 injection processes in geological formations for site screening

Climate change (CC) will impact water resources Assessing the extent of these impacts in due time is an important task, as it forms the basis for decision making Unfortunately, the extent of this forecasted impact depends very much on data and tools used for this task Although such methods might work well with present climatic conditions, it has to be doubted whether their results can still be relied upon in a changed climate
The uncertainties in the forecasts are partly of meteorological and partly of hydrological origin Whereas the uncertainties of GCMs are well known and often discussed, the problems of hydrological models in this context are seldom investigated In particular the uncertainty in process representation within the hydrological models must be revised
This dissertation focuses on the representation of the evapotranspiration (ET) process, because this process will be strongly influenced by CC For this purpose, the suitability of nine different ET models was investigated In a theoretical investigation, the sensitivity of the ET models to only a small change in temperature was found to be very different Thus the question had to be raised as to how the resulting ET from these models will change with the entire predicted CC Therefore a spatially distributed hydrological model based on the HBV concept was set up and the results of the different ET models were used consecutively as input to the hydrological model The modelling was applied on the Upper Neckar catchment, a mesoscale river in southwestern Germany with a basin size of about 4,000 km2 This catchment was divided into 13 subcatchments with different subcatchment characteristics
The suitability of the different ET approaches was checked by calibrating the hydrological model on different climatic periods and then applying the model on other climatic periods Thus, different 10-year periods with different climatic conditions were compiled: 10 cold, 10 warm, 10 wet and 10 dry years from the time series 1961–1990 were collected The first step was to adapt the model to the same period it was calibrated to Then the model was applied to other 10 years, ie the model calibrated on for example, the cold years was used on the warm years The transferability was also checked by applying the models on the period 1991–2000
For the investigation of the impact of CC, the calibration of the model must meet special requirements Apart from the selection of proper periods for calibration and validation, this also concerns the establishment of a suitable objective function Such a function is the Nash Sutcliffe efficiency Usually it is calculated comparing observed and modelled daily values In this study it is shown that problems in the transfer from one climatic condition to the other cannot be detected on the base of daily values Therefore parameter sets were optimized by an automatic calibration procedure based on Simulated Annealing, which considered the model performance on different time scales simultaneously (days up to years)
As the results show, some of the ET models, which work well under stationary conditions, are not able to reproduce changes in a realistic manner The results also show that calibrating a hydrological model that is supposed to handle short as well as long term signals becomes an important task; the objective function especially has to be chosen very carefully
 
Der prognostizierte Klimawandel wird auch den Wasserkreislauf beeinflussen Das Ausmas dieser Anderung fruhzeitig zu bestimmen ist eine wichtige Aufgabe, da sie Grundlage notwendiger Entscheidungen ist Dieses Ausmas hangt allerdings stark von der Datenlage und den Methoden ab, mit denen an diese Aufgabe herangegangen wird Selbst wenn die derzeit verwendeten Methoden stimmige Ergebnisse fur den gegenwartigen Klimazustand liefern, kann nicht davon ausgegangen werden, dass die mit diesen Methoden berechneten Ergebnisse auch fur ein geandertes Klima Gultigkeit haben werden
Die Unsicherheiten der Vorhersagen sind teils meteorologischer, teils hydrologischer Herkunft Wahrend die Unsicherheiten der GCMs bereits bekannt und in der Diskussion sind, wurden die in diesem Kontext existierenden Probleme der hydrologischen Modelle bisher nur selten untersucht Insbesondere die Unsicherheit in der Prozessbeschreibung innerhalb der hydrologischen Modelle muss genauer gepruft werden
In dieser Dissertation wurden verschiedene Beschreibungen des Evapotranspirationsprozesses (ET) untersucht, denn dieser Prozess wird durch den Klimawandel stark beeinflusst werden Neun verschiedene ET-Modelle wurden ausgewahlt und getestet Anhand einer einfachen theoretischen Untersuchung zeigte sich, dass die ET-Modelle bereits auf eine geringfugige Anderung von nur einer Eingangsvariablen sehr unterschiedlich reagieren Fraglich ist nun, wie sich die durch diese Modelle berechnete ET verandert, wenn die gesamten durch den Klimawandel hervorgerufenen Anderungen der Eingangsgrosen berucksichtigt werden Dazu wurde ein auf dem HBV-Konzept basierendes raumlich verteiltes hydrologisches Modell aufgestellt und mit den aus den verschiedenen ET-Modellen resultierenden Ergebnissen als Input nacheinander gespeist Die Modellierung wurde auf das Einzugsgebiet des Oberen Neckars (ca 4000 km2) angewandt Das Einzugsgebiet wurde in 13 Teileinzugsgebiete mit deutlichen Unterschieden eingeteilt
Die verschiedenen ET-Modelle wurden getestet, indem das hydrologische Modell auf klimatisch verschiedene Jahre geeicht und dann auf klimatisch entgegengesetzte Jahre ausgewertet wurde Dazu wurden verschiedene Zeitreihen mit jeweils 10 klimatisch ahnlichen Jahren (10 kalte, 10 warme, 10 nasse und 10 trockene Jahre aus der Zeitreihe 1961-1990) zusammengestellt Das hydrologische Modell wurde auf jeweils eine dieser Zeitreihen geeicht und anschliesend folgendermasen validiert Im ersten Schritt wurde das Modell fur dieselbe Zeitreihe ausgewertet, die auch fur die Eichung verwendet worden war Danach erfolgte die Auswertung auf die klimatisch entgegengesetzte Zeitreihe, beispielsweise wurde das Modell, dass auf die kalten Jahre geeicht worden war, nun hinsichtlich der erzielten Ergebnisse fur die warmen Jahre untersucht Eine geringe Abweichung der beiden Ergebnisse bedeutet eine gute Ubertragbarkeit des Modells Indem das Modell auch auf die kontinuierliche Zeitreihe 1991–2000 angewandt wurde, wurde die Ubertragbarkeit zusatzlich getestet 
Die Kalibrierung eines hydrologischen Modells, das den Einfluss eines Klimawandels bestimmen soll, stellt eine besondere Herausforderung dar - nicht nur bei der Auswahl von geeigneten Perioden fur die Kalibrierung und die Validierung, sondern auch bei der Aufstellung einer geeigneten Zielfunktion Eine gangige Zielfunktion ist die Nash-Sutcliffe-Effizienz Die Gute des Modells wird dabei durch den Vergleich berechneter Werte mit beobachteten Werten ermittelt Dieser Vergleich wird meist anhand von Tageswerten durchgefuhrt, was zu unerkannten systematischen Fehlern fuhren kann
In dem hier gewahlten Ansatz wird ein auf Simulated-Annealing basierender Optimierungsalgorithmus vorgestellt, der zur Kalibrierung nicht nur Tageswerte, sondern zusatzlich auch Jahres- und Extremwerte in unterschiedlichen Kombinationen verwendet Welche Kalibrierung sich am besten zur Bestimmung der Auswirkungen von Klimaanderungen eignet, wurde durch einen umfangreichen Vergleich der Ergebnisse festgestellt Auch dabei wurden wieder unterschiedliche Zeitskalen verwendet: die Ergebnisse wurden nicht nur auf Tagesbasis ausgewertet, sondern auch zu Wochen, Monaten, Jahreszeiten, Halbjahren und ganzen Jahren aggregiert
Die Ergebnisse zeigen, dass einige der ET-Modelle, die unter den gegenwartigen Klimabedingungen realistische Werte berechnen, dies bei geanderten Klimabedingungen nicht mehr vermogen
Weiterhin hat sich gezeigt, dass eine nur auf Tageswerten basierende Kalibrierung zu unzureichenden Ergebnissen bei der Ubertragung der Modelle zwischen klimatisch unterschiedlich ausgepragten Zeitreihen fuhrt Der Einsatz einer Zielfunktion, die sowohl Tageswerte als auch Jahresaggregationen der Tageswerte berucksichtigt, hat sich hingegen bewahrt

Investigation of evapotranspiration concepts in hydrological modelling for climate change impact assessment

The extensive use of chemicals in industry coupled with the lack of
understanding their potential threat to the environment and
human health has resulted in substantial soil and groundwater
contamination during the 20th century in many industrialized
areas. Sites contaminated by dense non-aqueous phase liquids
(DNAPL's) turned out to be rather problematic. The fact that DNAPL's
have a higher density than water enables them to migrate below the
ground water table causing extensive contaminations in the saturated
zone. Conventional remediation techniques show major difficulties
in the remediation of DNAPL and induced the development of innovative
remediation techniques for such sites. One of the most promising is 
the injection of steam into the subsurface. This technique has been
successfully applied to the remediation of DNAPL contaminations in the
unsaturated zone. Today, the application of steam injection for the
treatment of contaminations in the saturated zone is in the focus of
research interest. Although the physical processes elapsing during
steam injection are basically the same either in the saturated and 
unsaturated zone, there are distinct differences in their
relevancy. 

This work contributes to increasing the insight into the non-isothermal
multi-phase system emerging during steam injection into saturated
porous media. An essential prerequisite for this is to identify and
understand important processes and parameters influencing the
system behavior. First, experimental investigations are carried out
in a saturated two-dimensional flume. The established understanding of
the system behavior was incorporated into the development of a numerical
model. In this process, special attention was placed on an accurate
description of system behavior and a robust operation of the
model. Instabilities occurring at fully saturated conditions were
analyzed, and appropriate measures were taken to prevent them.
The developed model was subsequently used for simulating steam
injection experiments and later utilized for the verification of the
model code. In order to demonstrate the predictive qualities of the
model, a field scale steam injection was simulated.

The experimental and numerical investigations resulted in an
improved understanding of the non-isothermal multi-phase system
emerging during steam injection into saturated porous media. The
relevant processes and parameters influencing the propagation of the
steam front at saturated conditions could be identified. This provided
the possibility of deriving characteristic typecurves for steam
propagation in saturated porous media. 
Der massive Einsatz von synthetischen Chemikalien in der Industrie 
fuhrte in der Vergangenheit zu erheblichen Verunreinigungen des 
Untergrundes und somit auch des Grundwassers. Besonders problematisch 
sind Verunreinigungen mit Schadstoffen aus der Gruppe der DNAPL 
(dense non-aqueous phase liquids), da diese schon in geringen 
Konzentrationen human-toxisch sind und im Verdacht stehen
krebserregend zu sein. DNAPL's haben eine grosere Dichte als
Wasser und konnen somit zu Verunreinigungen in der mit Grundwasser
gesattigten Bodenzone fuhren. Konventionellen Verfahren wie z.B. 
Pump & Treat haben oftmals erhebliche Schwierigkeiten das Sanierungs-
ziel bei DNAPL Schadensfallen zu erreichen. Dies initiierte die 
Entwicklung einer Reihe innovativer Technologien fur die Sanierung 
solcher Schadensfalle. Ein viel versprechendes Verfahren ist dabei die
thermische Sanierung mittels Dampfinjektion. Das Verfahren der 
Dampfinjektion ist bereits erfolgreich fur Schadensfalle in der 
ungesattigten Bodenzone oberhalb des Grundwasserspiegels eingesetzt 
worden. DNAPL Schadensfalle sind jedoch nicht auf die ungesattigte 
Bodenzone beschrankt und deshalb wird momentan die Anwendbarkeit 
des Verfahrens zur Sanierung von Kontaminationen in der gesattigten 
Bodenzone untersucht. Obwohl die Prozesse der Dampfausbreitung dabei 
prinzipiell ahnlich sind, wie in der ungesattigten Bodenzone, so
kann sich dennoch deren Einflus auf das Prozessverhalten stark
unterscheiden.

Mit der vorliegenden Arbeit konnte das Prozessverstandnis fur das
nicht-isotherme Mehrphasensystem, welches sich bei der Dampfinjektion
in ein gesattigtes poroses Medium einstellt, verbessert werden. Eine 
essentielle Voraussetzung dafur war die Identifikation der relevanten 
Prozesse und Parameter.
Dazu wurden in einem ersten Schritt experimentellen Untersuchungen 
zur Dampfinjektion in einer zweidimensionalen Kuvette durchgefuhrt.
Das gewonnene Prozessverstandnis wurde in die Entwicklung eines 
numerischen Modells einbezogen. Dabei wurde auf eine moglichst exakte 
Wiedergabe des Prozessverhaltens und ein robustes Verhalten des 
numerischen Modells Wert gelegt. Probleme, die auftraten wurden 
analysiert und geeignete Masnahmen getroffen um diese zu umgehen. 
Das numerische Modell wurde im Anschlus zur Simulation der 
durchgefuhrten Experimente verwendet und konnte dabei erfolgreich 
verifiziert werden. Die Prognosefahigkeit des Modells wurde durch
die Simulation der Dampfausbreitung im Vorfeld einer Pilot-Sanierung
unter Beweis gestellt.

Die Verknupfung von experimentellen und numerischen Untersuchungen 
resultierte in einem verbesserten Prozessverstandnis des untersuchten 
Mehrphasensystems. Die fur die Dampfausbreitung in einem gesattigten 
porosen Medium relevanten Prozesse und Parameter konnten identifiziert
und Planungshilfen zur Abschatzung der Dampfausbreitung entwickelt werden.

Steffen Oliver Ochs

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Steam injection into saturated porous media : process analysis including experimental and numerical investigations