A Contribution to Improving Baseflow Modeling in Low Mountain Ranges

Baseflow is a vital component of the water balance of a catchment. Its consideration in integrated water resources management is important as it impacts the water quality and water temperature, as well as sustains the flow in rivers and streams during dry periods. Therefore, it is an essential ecological factor. Climate change will negatively affect baseflow, e.g., the amount of baseflow, in many catchments in the future. Low mountain ranges are especially at risk of increased water stress and consequent social-economic conflicts due to climate change. Unfortunately, baseflow is difficult to measure. Therefore, a plethora of methods exists to estimate baseflow from observations of total flow. However, these methods cannot make predictions for future scenarios, taking climate change and anthropogenic impacts into consideration. For this reason, hydrological models, which simulate the rainfall runoff process in a catchment, are important tools for the investigation of future scenarios for operational planning. The aim of this thesis is to improve the modeling of baseflow in low mountain ranges with hydrological models. To this end, a study is conducted in a field laboratory in the Fischbach catchment in Hesse, Germany, which is a typical catchment in the German low mountain range. A conductivity mass balance method, recursive digital filters, as well as non-continuous separation methods are evaluated in the Fischbach catchment. The hydrological model BlueM.Sim is used in this study as it is representative of typical hydrological models, e.g., SWAT and HEC-HMS. The main findings of this study are:

1. The conductivity mass balance baseflow separation method is applicable in low mountain ranges. The months June to September and November to May are best suited for the estimation of the electric conductivity of the baseflow and quick flow components, respectively. Both weekly and continuous monitoring are suited for the estimation of the electric conductivity of these components.
2. The Eckhardt filter, with a calibrated BFI max parameter, is recommended for continuous baseflow separation in low mountain ranges. The Kille method is recommended for the calibration of the BFI max parameter.
3. The physically based soil moisture approach in the current state of BlueM.Sim was able to reproduce the hydrological characteristics of the Fischbach catchment. At a daily timescale, periods are evident in which the modeled recessions do not match the observed recessions due to the single linear reservoir not being the optimal baseflow model structure in low mountain ranges. A direct calibration with baseflow time series is not possible in the current state of BlueM.Sim.
4. Simulated total flow duration curves of the conceptual monthly factor-based approach for baseflow modeling can agree very well with those of observed total flow. However, for successful validation, a solution had to be chosen that less consistently reproduced the flow duration curve in the calibration period. The current factor-based approach is only applicable for the representation of long-term average conditions.
5. The greater data requirements, longer computation time and complex calibration of the soil moisture approach make it unfeasible for widespread use in operational planning. The factor-based approach may be a suitable compromise regarding data requirements, computation time and calibration requirements.
6. The implementation of a stepwise calibration significantly improved the physical plausibility of model results, especially regarding baseflow.
7. The implementation of a parallel linear reservoir baseflow model in the soil moisture approach significantly improved the model results regarding baseflow. Parallel linear reservoirs are the superior model structure for baseflow modeling in low mountain ranges, regardless of calibration strategy.
8. The novel modified factor approach significantly improved baseflow modeling with this conceptual approach. Unlike the original factor approach, this approach can represent different hydrological conditions. Therefore, this approach is of great interest for operational planning.
9. The methodology of the hydrological model evaluation mostly fulfills the requirements of a comprehensive evaluation test as suggested in the literature. Therefore, this strongly suggests the suitability of BlueM.Sim for impact studies due to climate change.

Der Basisabfluss ist ein wesentlicher Bestandteil des Wasserhaushalts eines Einzugsgebiets. Seine Berücksichtigung als Teil eines integrierten Wasserressourcenmanagements ist wichtig, da der Basisabfluss sich auf die Wasserqualität und die Wassertemperatur auswirkt und den Durchfluss in Flüssen und Bächen während Trockenperioden aufrechterhält. Dementsprechend ist der Basisabfluss ein wesentlicher ökologischer Faktor. Der Klimawandel wird sich negativ auf den Basisabfluss auswirken, z.B. wird der Klimawandel in vielen Einzugsgebieten zu einer Verringerung des Basisabflusses führen. Mittelgebirge sind aufgrund des Klimawandels besonders von erhöhtem Wasserstress und daraus resultierenden sozioökonomischen Konflikten bedroht. Allerdings ist der Basisabfluss schwierig zu messen. Daher gibt es eine Vielzahl von Methoden, um den Basisabfluss aus Beobachtungen des Gesamtabflusses abzuschätzen. Diese Methoden können jedoch keine Vorhersagen für zukünftige Szenarien unter Berücksichtigung des Klimawandels und anthropogener Einflüsse machen. Deswegen sind hydrologische Modelle, die den Niederschlagsabflussprozess in einem Einzugsgebiet simulieren, wichtige Werkzeuge zur Untersuchung von Zukunftsszenarien für die Maßnahmenplanung in der Praxis. Ziel dieser Arbeit ist es, die Modellierung des Basisabflusses in Mittelgebirgsregionen mit hydrologischen Modellen zu verbessern. Hierzu wurde eine Studie in einem Feldlabor im Einzugsgebiet des Fischbachs in Hessen, einem typischen Einzugsgebiet des deutschen Mittelgebirges, durchgeführt. Im Einzugsgebiet des Fischbachs werden ein Massenbilanzverfahren beruhend auf der elektrischen Leitfähigkeit, Rekursive Digitale Filter sowie diskontinuierliche Trennungsmethoden evaluiert. Das hydrologische Modell BlueM.Sim wird stellvertretend für typische hydrologische Modelle, z.B. SWAT und HEC-HMS verwendet. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie sind:

1. Das Massenbilanzverfahren mittels der elektrischen Leitfähigkeit ist in Mittelgebirgen anwendbar. Die Monate Juni bis September und November bis Mai eignen sich am besten für die Abschätzung der elektrischen Leitfähigkeit der Basisabfluss- bzw. schnellen Abflusskomponenten. Zur Abschätzung der elektrischen Leitfähigkeit dieser Komponenten eignen sich sowohl wöchentliche als auch kontinuierliche Monitoring-Programme.
2. Der Eckhardt-Filter mit kalibriertem BFI max Parameter wird für die kontinuierliche Separation des Basisabflusses in Mittelgebirgen empfohlen. Für die Kalibrierung des BFI max Parameters wird die Kille-Methode empfohlen.
3. Der physikalisch basierte Bodenfeuchteansatz in der aktuellen Version (0.9.7.) von BlueM.Sim konnte die hydrologischen Eigenschaften des Fischbach-Einzugsgebiets reproduzieren. Auf einer täglichen Zeitskala sind Perioden erkennbar, in denen die modellierte Rezession nicht mit der beobachteten Rezession übereinstimmt, da der lineare Einzelspeicher nicht die optimale Basisabflussmodellstruktur in Mittelgebirgen darstellt. Eine direkte Kalibrierung mit Zeitreihen von separiertem Basisabfluss ist in der aktuellen Version von BlueM.Sim nicht möglich.
4. Simulierte Abflussdauerkurven des Gesamtabflusses des konzeptionellen, auf Monatsfaktoren basierenden Ansatzes zur Basisabflussmodellierung können sehr gut mit denen des beobachteten Gesamtabflusses übereinstimmen. Für eine erfolgreiche Validierung musste jedoch eine Lösung gewählt werden, die die Abflussdauerkurve weniger konsistent wiedergab. Der aktuelle faktorbasierte Ansatz ist nur für die Darstellung langfristiger Durchschnittsbedingungen anwendbar.
5. Der größere Datenbedarf, die längere Rechenzeit und die komplexe Kalibrierung des Bodenfeuchteansatzes machen einen Einsatz in der Maßnahmenplanung nicht möglich. Der faktorbasierte Ansatz kann ein geeigneter Kompromiss hinsichtlich Datenanforderungen, Rechenzeit und Kalibrierungsanforderungen sein.
6. Durch die Implementierung einer schrittweisen Kalibrierung wurde die physikalische Plausibilität der Modellergebnisse, insbesondere im Hinblick auf den Basisabfluss, deutlich verbessert.
7. Die Implementierung eines parallelen, linearen Einzelspeicher-Ansatzes im Bodenfeuchtemodell verbesserte die Modellergebnisse in Bezug auf den Basisabfluss erheblich. Parallele, lineare Einzelspeicher sind unabhängig von der Kalibrierungsstrategie die optimale Modellstruktur für die Basisabflussmodellierung in Mittelgebirgen.
8. Der neuartige Ansatz mit modifizierten Faktoren verbesserte die Basisabflussmodellierung mit diesem konzeptionellen Ansatz erheblich. Im Gegensatz zum ursprünglichen Faktoransatz kann dieser Ansatz deutlich unterschiedliche, hydrologische Bedingungen abbilden. Daher ist dieser Ansatz für die Maßnahmenplanung von Interesse.
9. Die Methodik der Evaluierung des hydrologischen Modells folgt weitestgehend der empfohlenen Methodik in der Literatur zur Evaluierung von Modellen, die zur Szenarioanalyse bzgl. der Auswirkungen des Klimawandels angewendet werden sollen. Daher ist dies ein starker Indikator, dass BlueM.Sim für solche Szenarioanalysen geeignet ist.