Tagebau(folge)landschaften bieten gute Möglichkeiten den Wandel ökohydrologische Systeme aufgrund veränderter Umweltbedingungen zu untersuchen: Im Zuge des Tagebaubetriebs wird die Vegetation vollständig entfernt, nach dem Tagebau wächst die Vegetation entweder durch aktive Rekultivierung oder natürliche Sukzession wieder auf. Von Interesse ist, ob und wie bzw. wie schnell sich die Tagebauflächen von der Störung erholen und ähnliche Bedingungen wie vor dem Tagebau bzw. auf ungestörten Flächen herrschen. Klimatische,
geomorphologische und ökologische Gegebenheiten sowie die Rekultivierungsstrategie spielen eine große Rolle in der Phase der Rehabilitation und bestimmen die Rate der Wiederbesiedlung
mit Pflanzen bzw. deren Wachstum. Der NDVI (normalisierter differenzierter Vegetationsindex) bietet die Möglichkeit generelle Muster der Vegetation quantitativ zu detektieren, um die Regenerationsrate der Vegetation für verschiedene Klima- und Ökoregionen abzuschätzen. Wir analysierten den MODIS Terra NDVI (achttägliche Werte) für Tagebaulandschaften verschiedener Klimate (äquatoriale, trockene, warm gemäßigte und Schnee-Klimate nach Köppen-Geiger) im Zeitraum 2001 bis 2015. Es wurden Kohletagebaue
betrachtet, da diese gut definierte Chronosequenzen der Störung erzeugen. Bei der Analyse der NDVI-Zeitreihen sollten Charakteristiken der Rehabilitationsphase erfasst werden. Um
die räumliche Heterogenität der Zellen (ca. 250 x 250 m²) der Tagebaulandschaft abzubilden, wurde je Tagebau eine hierarchische Clusteranalyse durchgeführt. Die einzelnen Zeitreihen der Cluster wurden mit einer Methode zur Detektion von Bruchpunkten und zur Zeitreihenzerlegung auf Konsistenz bezüglich Eigenschaften der Zeitreihen (Beginn des Tagebaus, Ende des Tagebaus/Beginn der Rehabilitation, Rate der Rehabilitation) untersucht. Die Clusteranalyse führt zu einer Einordnung der Zellen in vom Tagebau nicht direkt beeinflusste Flächen, aktiven Tagebau und in der Rehabilitation befindliche Fläche verschiedenen Alters
bzw. rehabilitierte Flächen. Das Zeitfenster der Entfernung der Vegetation kann im NDVI-Signal identifiziert werden, es zeigt sich meist in einer abrupten Änderung des NDVI. Die Rehabilitationsphase hingegen verläuft graduell und kann mehrere Jahre bis Jahrzehnte
andauern. Die Zeitreihenzerlegung zeigt auf, dass in der Rehabilitationsphase der Trend dominiert, während mit Voranschreiten der Rehabilitation die Saisonalität im NDVI-Signal vorherrschend wird. Durch die ermittelte Rate der Rehabilitation können die Flächen innerhalb eines Tagebaus miteinander verglichen werden. Die mittlere Rehabilitationsrate der Tagebaue kann in Zusammenhang mit den vorherrschenden hydroklimatischen Bedingungen der Klimazonen und mit Rekultivierungsstrategien gebracht werden. Zudem ist auch eine
Betrachtung hydrometeorologischer Größen zur Erkennung von kurzzeitigen Veränderungen des Pflanzenwachstums im NDVI-Signal möglich.
Studien zum Einfluss des zukünftigen Klimawandels auf das Abflussgeschehen fokussieren oft auf die Fortpflanzung von Unsicherheiten in Modellkaskaden, berücksichtigen meist jedoch
die Wasserressourcenbewirtschaftung nur ungenügend. Wir untersuchten den Einfluss der Wasserressourcenbewirtschaftung auf die Abflussvariabilität und die Fortpflanzung von Unsicherheiten von Klimaprojektionen auf Abflusssimulationen in den Einzugsgebieten von
Spree (bis Pegel Große Tränke: 6200 km²) und Schwarzer Elster (5700 km²). Die Einzugsgebiete ähneln sich hinsichtlich Klima, Topographie, Boden und Landnutzung, jedoch ist das Spreeeinzugsgebiet stärker durch den Braunkohletagebau und die damit verbundenen Bewirtschaftung geprägt und durch einen höheren Speicherausbaugrad gekennzeichnet. Um zwischen Bewirtschaftungseinflüssen und meteorologischen Einflüssen zu separieren, wurden für den Zeitraum 1961-2005 beobachtete Abflüsse mit durch das Modell SWIM rekonstruierten natürlichen (d.h. ohne Bewirtschaftungseinfluss) Abflüssen der Vergangenheit verglichen. Mögliche Einflüsse des Klimawandels wurden für den Zeitraum 2018-2052 auf Grundlage von 3 Szenarien des statistischen Regionalmodells STAR (je 100 Realisierungen) mit SWIM (natürliche Abflüsse) und dem Langfristbewirtschaftungsmodell WBalMo (bewirtschaftete Abflüsse) modelliert. Die Analyse erfolgte mit Fokus auf Saisonalität, Oszillation, Verteilung und räumliche Variabilität der Abflüsse. Der Vergleich zwischen beobachteten
und natürlichen Abflüssen der vergangenen Jahrzehnte zeigt, dass die zwischenjährliche Abflussvariabilität im Spreeeinzugsgebiet stärker durch Grubenwassereinleitungen als durch natürliche hydrologische Prozesse bestimmt wurde. Zusätzlich führt der höhere Speicherausbaugrad dazu, dass die kurzzeitliche und saisonale Variabilität im Spreeeinzugsgebiet geringer als im Einzugsgebiet der Schwarzen Elster ist. Simulationen mit Klimaszenarien, welche
steigende Jahresmitteltemperaturen und einen Rückgang der Niederschlagsjahressummen enthalten, führen zu deutlichen Abflussrückgängen. Die Unterschiede der natürlichen Abflüsse
beider Einzugsgebiete sind gering, die Unsicherheiten der Klimaprojektionen werden durch die hydrologische Modellierung verstärkt. Die natürlichen und bewirtschafteten Abflüsse
der Schwarzen Elster unter Klimawandel unterscheiden sich kaum. Im Spreeeinzugsgebiet zeigt sich eine deutliche Verringerung der Variabilität und Unsicherheiten unter Klimawandel von den natürlichen zu den bewirtschafteten Abflüssen. Die Analysen zeigen, dass effektive Wasserressourcenbewirtschaftung die Abflussvariabilität verringern kann und damit auch
dazu beitragen kann, die sich aus Klimawandelprojektionen ergebenden Unsicherheiten zu vermindern. Einzugsgebiete mit einem hohen Ausbaugrad weisen weniger Vulnerabilität bezüglich klimatischer Änderungen auf. Dies unterstreicht die Bedeutung von Wasserresourcenbewirt-schaftungfür die Anpassung an den Klimawandel.
Variability of rainfall and throughfall is an essential characteristic of the water balance at spatial scales ranging from meters to hundreds of meters or even kilometers. The amount of throughfall is governed by the characteristics of the vegetation canopy and the involved interception and stemflow effects. In initial, developing ecosystems, distinct patterns of the growing vegetation (e.g. patchiness) supposedly govern the spatial distribution of water in the system, thereby initiating and supporting hydro-ecological feedback processes. Questions are i) is the spatial variability of vegetation relevant for the system as a whole, and ii) how does the distribution of the effective precipitation (i.e. the infiltration) change over time in dependency of vegetation succession?
We present the first results of a spatially distributed measurement approach of surface-near precipitation on the constructed catchment “Hühnerwasser” (“Chicken Creek”). The 6-ha site is located in the recultivation area of the lignite open-cast mine “Welzow-Süd” in Lower Lusatia, Brandenburg, Germany. Here, the free development of an initial ecosystem is investigated since September 2005. After eight years of succession, the spatial distribution of plant species is highly heterogeneous, and gains increasing influence on throughfall patterns, thus impacting the distribution of soil humidity and possibly even surface runoff.
For spatially distributed precipitation measurement, 47 tipping bucket rain gauges were installed in heights of 0.5 m and 1.0 m along two transects on the catchment. Rain gauge data were collected by a wireless sensor node network provided by the Sens4U joint research project. The transects run NW-SE and NE-SW and cover the range of plant communities presently existing in the ecosystem: locust copses, dense sallow thorn bushes and reeds, base herbaceous and medium-rise small-reed vegetation, and open areas covered by moss and lichens. The raw measurement data were temporally aggregated using a VBA script in order to characterize interception for various types of precipitation events on different time scales.
First results from the measurement period 17th July – 3rd September 2013 widely exhibit a good accordance with reference data from on-site weather stations for sites on open ground, while canopy sites show more heterogeneous values, either due to interception or due to canopy collection effects. However, it was found that the explanation of the differences between comparable sites requires an additional inclusion of other relevant parameters, e.g. wind speed and direction, screening effects, and specific canopy characteristics. Moreover, extreme precipitation events sometimes seemed to lead to incorrect measurements either by the sensor and / or node, which required supplementary quality controls of equipment and data.
Results from future long-term measurements on the “Hühnerwasser” catchment will be used to identify possible plant-soil feedback mechanisms and to parameterize models that simulate the behavior of initial eco-hydrological systems
The Huehnerwasser catchment is a monitored, early-development constructed catchment within the Lower Lausatia post-mining landscape in Germany. From the initial bare catchment state, a sequence of landscape-forming processes occurred, including erosion-based topographic change and vegetation establishment, which are at the centre of this study. Erosion-based topographic change is strongly driven by surface runoff, while in turn itself also modifying runoff in the catchment. These topographic changes can have a significant impact on the hydrological response of a catchment, as they can affect flow paths, flow speeds and rainfall-runoff-infiltration partitioning, all of which manifest in different ways in runoff hydrographs in response to rainfall events. Vegetation establishment enhances local infiltration capacity, introducing infiltration heterogeneity, thus affecting the topography-controlled
flowpaths as water infiltrates at vegetation patches.
Critical-zone observatories and monitored early-development systems allow to document signatures of the evolution of catchments and to correlate certain behaviours to processes. However, readily and easily achievable runoff signatures often cannot provide a clear nor full description of process interactions, as the individual roles of processes are stacked together, and strongly shaped by the temporal distribution of rainfall, making it very difficult to disentangle the effects of each process, and making modelling a necessary approach to understand these interactions and their manifestations. All such processes occur at small spatial scales, and are difficult to observe or assess when experimentally studying catchment hydrology. Moreover, given that the complexity of processes contributing to morphological changes and the corresponding alteration of runoff signatures, single catchment experiments and even comprehensive monitoring programmes of whole catchments will neither allow to decipher all processes interactions nor will it allow to apply a statistically derived experimental.
In this work, we study the effects that spatial distributions of surface topography and infiltration properties have on surface runoff and surface connectivity in response to single rainfall events, in the context of the Huehnerwasser catchment. We simulate rainfall/runoff processes by means of a physically-based, spatially explicit surface flow model, and assess the results in terms of hydrological signatures (hydrograph, hydrological balance), spatial distribution of the hydrodynamics of runoff, and surface flow connectivity. To do this, we use several DEMs of the Hühnerwasser catchment recorded during the erosion-based development of the surface (2006-2010), different hypothetical infiltration properties distributions, and a set of different singular rainfall events. The study allows to observe the individual effects that topographic properties and infiltration distributions have on the hydrograph signatures and connect cause-and-effect through an intermediate, conceptual property of the system: surface runoff connectivity, arguably an indicator of hydrological organisation of the runoff response. Moreover, by systematic analysis, the interactions between topography and infiltration can also be assessed in the hydrograph and explained through connectivity. The results show a range of possible magnitudes of influence of topography and infiltration on the runoff response, while highlighting that the onset of runoff and the rising limb of the hydrograph are mostly affected by these features and their interactions, and strongly related to surface runoff connectivity.