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River water quality modelling for river basin and water resources management with a focus on the Saale River, Germany

Modellierung der Fließgewässergüte für das Einzugsgebiets- und Wasserressourcen-Management mit Schwerpunkt Saale

  • This thesis focuses on computer modelling issues such as i) uncertainty, including uncertainty in parameters, data input and model structure, ii) model complexity and how it affects uncertainty, iii) scale, as it pertains to scaling calibrated and validated models up or down to different spatial and temporal resolutions, and iv) transferability of a model to a site of the same scale. The discussion of these issues is well established in the fields of hydrology and hydrogeology but has found less application in river water quality modelling. This thesis contributes to transferring these ideas to river modelling and to discuss their utilization when simulating river water quality. In order to provide a theoretical framework for the discussion of these topics several hypotheses have been adapted and extended. The basic principle is that model error decreases and sensitivity increases as a model becomes more complex. This behaviour is modified depending if the model is being upscaled or downscaled or is being transferred to a differentThis thesis focuses on computer modelling issues such as i) uncertainty, including uncertainty in parameters, data input and model structure, ii) model complexity and how it affects uncertainty, iii) scale, as it pertains to scaling calibrated and validated models up or down to different spatial and temporal resolutions, and iv) transferability of a model to a site of the same scale. The discussion of these issues is well established in the fields of hydrology and hydrogeology but has found less application in river water quality modelling. This thesis contributes to transferring these ideas to river modelling and to discuss their utilization when simulating river water quality. In order to provide a theoretical framework for the discussion of these topics several hypotheses have been adapted and extended. The basic principle is that model error decreases and sensitivity increases as a model becomes more complex. This behaviour is modified depending if the model is being upscaled or downscaled or is being transferred to a different application site. A modelling exercise of the middle and lower Saale River in Germany provides a case study to test these hypotheses. The Saale is ideal since it has gained much attention as a test case for river basin management. It is heavily modified and regulated, has been overly polluted in the past and contains many contaminated sites. High demands are also placed on its water resources. To provide discussion of some important water management issues pertaining to the Saale River, modelling scenarios using the Saale models have been included to investigate the impact of a reduction in non-point nutrient loading and the removal and implementation of lock-and-weir systems on the river.show moreshow less
  • Diese Arbeit konzentriert sich auf Themen, die in der Computermodellierung vorkommen, wie z.B. i) Unsicherheiten, einschließlich Unsicherheiten in den Prozesskonstanten, Dateneingaben und Modellstrukturen, ii) Modellkomplexität und ihre Auswirkungen auf die Unsicherheiten, iii) Skalen, bezogen auf das Übertragen von kalibrierten und validierten Modellen auf kleinere oder größere Skalen mit unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Auflösungen, und iv) Übertragbarkeit eines Modells auf einem Gebiet der gleichen Skala. Diese Themen, die in der Hydrologie und Hydrogeologie häufig diskutiert werden, haben wenig Anwendung in der Fließgewässergütemodellierung gefunden. Diese Arbeit soll einen Beitrag dazu leisten, diese Konzepte in die Flussmodellierung zu übertragen. Um einen theoretischen Rahmen für die Diskussion dieser Themen zu stellen sind einige Hypothesen übernommen, verändert und ergänzt worden. Das Grundprinzip dieser Hypothesen ist dass bei ansteigender Komplexität des Modells, der Fehler zwischen Modellergebnissen undDiese Arbeit konzentriert sich auf Themen, die in der Computermodellierung vorkommen, wie z.B. i) Unsicherheiten, einschließlich Unsicherheiten in den Prozesskonstanten, Dateneingaben und Modellstrukturen, ii) Modellkomplexität und ihre Auswirkungen auf die Unsicherheiten, iii) Skalen, bezogen auf das Übertragen von kalibrierten und validierten Modellen auf kleinere oder größere Skalen mit unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Auflösungen, und iv) Übertragbarkeit eines Modells auf einem Gebiet der gleichen Skala. Diese Themen, die in der Hydrologie und Hydrogeologie häufig diskutiert werden, haben wenig Anwendung in der Fließgewässergütemodellierung gefunden. Diese Arbeit soll einen Beitrag dazu leisten, diese Konzepte in die Flussmodellierung zu übertragen. Um einen theoretischen Rahmen für die Diskussion dieser Themen zu stellen sind einige Hypothesen übernommen, verändert und ergänzt worden. Das Grundprinzip dieser Hypothesen ist dass bei ansteigender Komplexität des Modells, der Fehler zwischen Modellergebnissen und Messdaten verringert und die Gesamtsensitivität des Modells erhöht wird. Dieses Verhalten verändert und verschiebt sich entsprechend, wenn das Modell auf andere Skalen oder auf ein anderes Anwendungsgebiet der gleichen Skala übertragen wird. Diese Hypothesen wurden durch eine Modellierung der mittleren und unteren Verläufe des Saale-Flusses geprüft. Die Saale ist als Fallstudie gut geeignet, da sie als Testfall für Flussgebietsmanagement viel Aufmerksamkeit erregt hat. Der Fluss ist mit vielen technischen Baumaßnahmen stark verändert worden, ist in der jüngeren Vergangenheit übermäßig verschmutzt worden, und enthält viele Altlasten. Von den Wassserressourcen wird ein hoher Nutzungsgrad in Anspruch genommen. Um einige wichtige wasserwirtschaftliche Fragen im Zusammenhang mit der Saale zu diskutieren wurden Simulationsergebnisse von Szenarienberechnungen bereitgestellt, um die Auswirkung einer Verringerung diffuser Nährstoffbelastung und die Demontage und Implementierung von Schleusen- und Wehranlagen am Fluss zu untersuchen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Karl-Erich Lindenschmidt
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-45959
Referee / Advisor:Prof. Dr. rer. nat. habil. Albrecht Gnauck
Document Type:Habilitation thesis
Language:English
Year of Completion:2006
Date of final exam:2006/07/05
Release Date:2019/02/05
Tag:Eutrophierung; Saale; Wasserqualität; Wasserressourcen-Management
Eutrophication; High level architecture (HLA); Saale River; Water quality; Water resources management
GND Keyword:Saale; Hydrologie; Computersimulation
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Hydrologie
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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