Schwerpunkte

• Hydrosystemmodellierung und Optimierung
• Hydrologie arider Gebiete, Wasserknappheit und Bewässerung
• Stochastische Hydrosystemmodellierung
• Hydrologische Prozesse in kleinen und mittleren Einzugsgebieten

Im grundlagenorientierten Schwerpunkt Hydrosystemmodellierung und -optimierung (AG Hydroinformatik) werden neue simulationsbasierte Optimierungsmethoden zur integrierten Ressourcenbewirtschaftung entwickelt und Bewirtschaftungsprobleme bei limitierten Wasserressourcen untersucht. Bei der Suche nach geeigneten Lösungen werden gleichzeitig die Verbesserung der zeitlichen und räumlichen Wasserverfügbarkeit aber auch die gezielte Steuerung der Nachfrage von Wasser betrachtet. Dabei sind Fragestellungen interessant, die sich wie z.B. bei Bewässerungssystemen, durch eine komplexe Wechselwirkung der relevanten hydrologischen Prozesse ergeben, die auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen stattfinden. Die größte Herausforderung auf diesem Gebiet ist die Entwicklung von Methoden zur Integration rechenintensiver Simulationsmodelle in robuste Optimierungsverfahren, die gleichzeitig auch die Modellunsicherheiten berücksichtigen und diese durch eine auf das Bewirtschaftungsproblem gerichtete Kalibrierung verringern.

Der anwendungsorientierte Schwerpunkt Hydrologie arider Gebiete, Wasserknappheit und Bewässerung (AG Angewandte Hydrologie) beschäftigt sich mit der nachhaltigen Ressourcenbewirtschaftung in ariden und semi-ariden Gebiete mittels intelligenter Steuerungs- und Optimierungsansätze. In der Vergangenheit beschäftigten sich mehrere Forschungsprojekte in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern im Oman, Äthiopien, Frankreich und Syrien, die sich u.a. mit der optimalen Bewirtschaftung von Mehrzweckspeicher-Systemen unter großen Nutzungskonflikten und anwendungsreifen Werkzeugen zur Erhöhung der Wasserproduktivität von Bewässerungssystemen von der Labor-/Feldskala bis zur Einzugsgebietsskala befassen (auch AG Hydroinformatik). Die Erfahrungen aus diesen Forschungsarbeiten zeigen, dass Modellierung, Simulation und Experimente durch eine integrative Betrachtungsweise verbunden sein müssen. Kooperationen u.a. mit UNU-FLORES in Dresden tragen dazu bei, Entwicklungen des integrierten Managements von natürlichen Ressourcen wie Wasser und Boden in Schwellen- und Entwicklungsländern zu transferieren.

Der Schwerpunkt Stochastische Hydrosystemmodellierung (AG Stochastische Hydrologie) beschäftigt sich mit innovativen Methoden zur gekoppelten Modellierung von Hydrosystemen. Robuste Modellvorhersagen und Szenariensimulationen erfordern jedoch die objektive Berücksichtigung dominanter Unsicherheitsquellen, wie die Genauigkeit und die räumlich- zeitliche Repräsentativität von Messdaten und Randbedingungen, Parameterunsicherheit, aber auch Modellstrukturfehler.

Eine ganzheitliche Betrachtung von Unsicherheitsquellen ist jedoch technisch anspruchsvoll, rechenzeitlimitiert, oft auch datenintensiv und daher in der Praxis kaum durchführbar. Daher sind unsere aktuellen Forschungsfragen die Diskriminierung und Priorisierung von Unsicherheitsquellen, die Entwicklung diagnostischer Werkzeuge für Modellstrukturfehler, die Bestimmung und das Ranking von Dateninformationsgehalt, die Entwicklung von pragmatischen Methoden für die optimale Messplatzplanung, Modellreduktionsverfahren, Legitimität von Modellkomplexizität, sowie Bayes’sche Verfahren für Modellselektion, –mittelung, und –vorhersage.

Diese Entwicklungen sollen stochastischen Modellierung und Unsicherheitsbetrachtung für Praxisfragestellungen zugänglich machen und zu einer zielgerichteten Planung von Messkampagnien führen. Unsere Anwendungen umfassen die Modellierung von Wasser- und Stoffflüssen in Fluss-Grundwasser-Systemen ("braided rivers"), Boden-Pflanze-Systemen, und in kleinen Einzugsgebieten.

Kleine Einzugsgebiete wie z.B. im Erzgebirge reagieren bei Niederschlägen hoher Intensität mit schnellen Hochwasserabflüssen. Die Mechanismen und Fließprozesse, die zu diesen dynamischen Gebietsreaktionen führen, sind bisher ebenso wenig geklärt wie die Frage, welcher minimale Umfang an Messdaten operativ erhoben werden muss, um beispielsweise zuverlässige operationelle Hochwasservorhersagen mit hydrologischen Modellen zu erzielen. Ähnliche wissenschaftliche Herausforderungen gibt es bei der Vorhersage von Abflussänderungen in kleinen Einzugsgebieten infolge von Klimawandel und/oder Landnutzungsänderungen. Ein integrativer Forschungsansatz, der die Planung von hydrologischen Beobachtungsnetzwerken, den Aufbau von Versuchsflächen und hydrologische Modellierung verbindet, soll im Schwerpunkt Hydrologische Prozesse in kleinen und mittleren Einzugsgebieten (AG Einzugsgebietshydrologie) Verbesserung von Vorhersagen und Prognoserechnungen von Wasserhaushalt und Extremereignissen führen. Dazu werden innovative Methoden Prozessidentifikation, inversen Modellierung und Unsicherheitsanalyse, wie beispielsweise in der Nachwuchsforschergruppe “Extremereignisse in kleinen und mittleren Einzugsgebieten (EXTRUSO)” entwickelt. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit der Professur Meteorologie erfolgen, die eine Vielzahl von Mess- und Versuchsstationen betreibt und eine große Expertise in der Analyse und Modellierung von Wechselwirkungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre besitzt.