DIPLOM- UND MASTERTHEMENLISTE WS11/12

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1 TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN INSTITUT FÜR HYDROLOGIE UND METEOROLOGIE DIPLOM- UND MASTERTHEMENLISTE WS11/12 Diese Liste online unter Stand: Januar Flash-Flood Modellierung in ariden Gebieten Betreuer: A. Philipp Anforderungen Interesse an hydraulischer Modellierung Fähigkeit zum strukturierten Arbeiten und Denken Bereitschaft, sich in Matlab einzuarbeiten Beschreibung Einarbeitung in verfügbare Modelle Setup eines Testgebietes mit allen erforderlichen Preprozessing-Schritten Umfangreiche Datenanalyse Setup der Modelle für das Testgebiet Kalibrierung und Validierung Vergleichende Modellsimulation Beurteilung der Ergebnisse anhand geeigneter Gütekriterien 2. Gekoppelte Modellierung von Oberflächen- und Bodenwasserströmung mit COMSOL Multiphysics Betreuer: A. Philipp und N. Schütze ab sofort Anforderungen Intersse and physikalisch basierter Modellierung anspruchsvolles Thema 3. Hochaufgelöste Charakterisierung des Wasserhaushaltes für verschiedene Standorte im Erzgebirge Betreuer: N. Prange, Dr. F. Lennartz Anforderungen Interesse an Wasserhaushaltsmodellierung 4. Modellierung und inverse Bestimmung bodenhydraulischer Parameter in homogenen und geschichteten Boden mittels Parallelisierung auf dem Höchstleistungsrechner der TU Dresden Betreuer: Dr. Niels Schutze Anforderungen: Interesse an Problemen des Bodenwassertransports und -haushalts Interesse an mathematischen Optimierungsverfahren 1

2 Beschreibung: Modellierung des Bodenwassertransports mit HYDRUS (1D, 2D, 3D) sowie verschiedenen bodenphysikalischen Modellen Anwendung multikriterieller Optimierungsverfahren (AMALGAM, SPEA2 oder e-nsgaii) zur simultanen inversen Parameterbestimmung der hydraulischen Parameter auf drei verschiedene Datensätze Abschätzung der Unsicherheit der ermittelten bodenhydraulischen Parameter mittels Monte- Carlo-Simulationen Auswertung der Ergebnisse der Optimierung und Methodenvergleich 5. Entwicklung eines webbasierten Optimierungswerkzeuges zur Bestimmung von Bewässerungsplänen mit AquaCrop Betreuer: Dr. Niels Schütze Anforderungen: Gute Programmierkenntnisse (MATLAB) Interesse an Methoden der Ressourcenplanung für die Bewässerungslandwirtschaft Interesse an mathematischen Optimierungsmethoden Beschreibung: Einarbeitung in AquaCrop und FAO-Handbuch Yield response to water: Irrigation and drainage Programmierung des Planungswerkzeugs in MATLAB (Vorarbeiten vorhanden) Entwurf der Anwenderschnittstelle Programmierung der Website Test der Anwenderschnittstelle mit realen Daten 6. Aufbau von zwei- und dreidimensionalen Strömungsmodellen für verschiedene Verfahren der Mikrobewässerung mit Hydrus 3D Betreuer: Dr. Niels Schütze Anforderungen: Interesse an numerischen Modellen Beschreibung Vertiefende Einarbeitung in die spezifischen Probleme der Modellierung der Bodenwasserströmung Einarbeitung in Hydrus Entwurf der Modellgeometrie für verschiedene Bewässerungverfahren Implementierung der Modelle in Hydrus 3D Vergleichende Simulation Auswertung und Diskussion der Ergebnisse 7. Verschiedene Themen auf dem Gebiet des Bodenwasserhaushalts und Bodenwassertransports Ansprechpartner: Dr. Franz Lennartz Für Interessierte Studenten können jederzeit Themen bereitgestellt werden, die sowohl praktische und experimentelle Aufgaben, als auch Aspekte der Modellierung abdecken. 8. Themen am WESS Tübingen (können auch teilweise von Dresden aus bearbeitet werden) Ansprechpartner: Dr. Thomas Wöhling, 2

3 Groundwater-Surface Water interaction Modelling hyporheic exchange: A numerical flow model for the Steinlachbogen area (Neckar, Tübingen) should be build (MODFLOW or HydroGeoSphere). The study comprises hyporheic exchange fluxes at a river loop, flow through a shallow gravel aquifer, evaluation of monitoring network (groundwater levels, conductivity), and parameterization of heterogeneous flow fields. Groundwater Groundwater flow modelling: A numerical flow model should be build for the Tutaeuaua well cluster (New Zealand) using MODFLOW or HydroGeoSphere. The area is located on a mild slope ( 10%) on a sheep and beef farm under pastoral land use. The subsurface consists of layered volcanic deposits. The heterogeneity of the subsurface should be characterised using inverse modelling techniques and observations of groundwater levels. Groundwater flow and transport modelling: An existing steady-state groundwater flow model (MODFLOW) for the Central Canterburry Plains (New Zealand) needs to be extended for simulating nitrogen transport and transformations in the region (MT3D). The new model will be parameterized and then tested with data from the groundwater quality monitoring network. Soil-Plant-Atmosphere Testing of different coupled soil-plant-atmosphere models: The impact of structural complexity of five coupled soil-plant-atmosphere models will be analysed using inverse modelling techniques and field data of soil water content, LAI, phonological data, and evapotranspiration from a winter wheat cropping season. The worth of different data types with respect to appropriately simulating the water, heat, and solute fluxes in the coupled system will be evaluated. Surface Water Stream flow modelling: The flow in a section ( 100m) of the river Steinlach (near Tübingen) should be analysed with the HEC-RAS modelling system using data from a detailed survey (area, river banks, stream cross sections). The river section exhibits a complex geometry and is influenced hyporheic exchange (see topic above). The study will include complementary field measurements. Calibration of distributed hydrological models: The distributed hydrological model mhm is used to simulate flow hydrographs of 22 sub-catchments in the upper Neckar basin. Transfer parameters are estimated by inverse modelling using a range of model evaluation scores and diagnostic variables. The transferability of model parameters to other sub-catchments will be tested. Vadose Zone Analysis of dye tracer experiments: Dye tracer experiments have been conducted in a layered volcanic field soil at the Spydia facility (New Zealand). Modelling concepts to simulate unstable flow during infiltration are reviewed and tested for numerical re-analysis of the experiments. Characterization of unsaturated flow properties: The soil hydraulic properties of three layered field soils will be estimated using the numerical model Hydrus, inverse modelling techniques, and tensiometer data from the Toenepi experimental site (New Zealand). Inversion results are evaluated with respect to parameter uncertainty and uniqueness. 9. Themen N. Prange (IHM) (a) Modellierung des Systems Boden-Pflanze-Atmosphäre für einen Fichtenstandort mittels BIOME- BGC. Ziel dieser Arbeit ist es, den Bodenwasserhaushalt und das Pflanzenwachstum eines Fichtenstandortes im Erzgebirge für rezente und prognostizierte Klimabedingungen detailliert abzubilden. Dafür soll ein physikalisch begründetes pflanzenphysiologisches Wachstumsmodell (BIOME-BGC) für das beobachtete rezente Klima aufgebaut und angewendet werden. Darauf aufbauend sollen verschiedene Klima- und Emissionsszenarien simuliert werden. Die Ergebnisse der Modellierungen sind bezüglich aller Bodenwasserhaushaltskomponenten darzustellen, zu analysieren und zu bewerten. Ein weiterer Fokus der Arbeit ist der Vergleich und die Analyse der Entwicklung des Bodenwasserhaushaltes und der Pflanzenentwicklung für die zukünftigen Szenarien bezüglich des aktuellen Systemzustandes. Betreuer: Norbert Prange, Stefan Werisch, Dr. Franz Lennartz 3

4 (b) Modellierung des Systems Boden-Pflanze-Atmosphäre für einen Fichtenstandort mittels FORESEE (4C). Ziel dieser Arbeit ist es, den Bodenwasserhaushalt und das Pflanzenwachstum eines Fichtenstandortes im Erzgebirge für rezente und prognostizierte Klimabedingungen detailliert abzubilden. Dafür soll ein physikalisch begründetes pflanzenphysiologisches Wachstumsmodell (FORESEE-4C) für das beobachtete rezente Klima aufgebaut und angewendet werden. Darauf aufbauend sollen verschiedene Klima- und Emissionsszenarien simuliert werden. Die Ergebnisse der Modellierungen sind bezüglich aller Bodenwasserhaushaltskomponenten darzustellen, zu analysieren und zu bewerten. Ein weiterer Fokus der Arbeit ist der Vergleich und die Analyse der Entwicklung des Bodenwasserhaushaltes und der Pflanzenentwicklung für die zukünftigen Szenarien bezüglich des aktuellen Systemzustandes. Betreuer: Norbert Prange, Stefan Werisch, Dr. Franz Lennartz (c) Modellierung des Systems Boden-Pflanze-Atmosphäre für einen Fichtenstandort mittels BROOK-90. Ziel dieser Arbeit ist es, den Bodenwasserhaushalt und das Pflanzenwachstum eines Fichtenstandortes im Erzgebirge für rezente und prognostizierte Klimabedingungen detailliert abzubilden. Dafür soll ein physikalisch begründetes pflanzenphysiologisches Wachstumsmodell (BROOK-90) für das beobachtete rezente Klima aufgebaut und angewendet werden. Darauf aufbauend sollen verschiedene Klima- und Emissionsszenarien simuliert werden. Die Ergebnisse der Modellierungen sind bezüglich aller Bodenwasserhaushaltskomponenten darzustellen, zu analysieren und zu bewerten. Ein weiterer Fokus der Arbeit ist der Vergleich und die Analyse der Entwicklung des Bodenwasserhaushaltes und der Pflanzenentwicklung für die zukünftigen Szenarien bezüglich des aktuellen Systemzustandes. Betreuer: Norbert Prange, Stefan Werisch, Dr. Franz Lennartz (d) Vergleich einer prozessorientierten hydrologischen Modellierung mit der Modellierung des Wasserhaushaltes für ein mikroskaliges Ackereinzugsgebiet im Erzgebirge unter rezentem und prognostiziertem Klima mit WaSiM-ETH. Die Arbeit beschäftigt sich zunächst mit dem Vergleich einer zeitlich hochaufgelösten, prozessorientierten hydrologischen Modellierung mit der Modellierung des Wasserhaushaltes auf Tagesdatenbasis in einem landwirtschaftlich als Acker genutztem Versuchseinzugsgebiet im Osterzgebirge. Auf Grundlage einer automatischen Kalibrierung der beiden Modelle soll der jeweils erhaltene beste Parametersatz und die Ergebnisse bezüglich des Wasserhaushaltes unter rezentem Klima verglichen werden. Besonderer Fokus soll dabei auf die Bodenparametrisierung durch Kartenwerke versus experimenteller Bestimmung und die Betrachtung von Fruchtfolgen durch eine dynamische Pflanzenphänologie gelegt werden. Zusätzlich soll eine Modellierung des Wasserhaushaltes für prognostizierte Klimaszenarien erfolgen. Die Ergebnisse der potentiellen Entwicklung der unterschiedlichen Wasserhaushaltsgrößen sind mit denen der rezenten Klimamodellierung zu vergleichen. Betreuer: Norbert Prange, Stefan Werisch (e) Vergleich einer prozessorientierten hydrologischen Modellierung mit der Modellierung des Wasserhaushaltes für ein mikroskaliges Grünlandeinzugsgebiet im Erzgebirge unter rezentem und prognostiziertem Klima mit WaSiM-ETH. Die Arbeit beschäftigt sich zunächst mit dem Vergleich einer zeitlich hochaufgelösten, prozessorientierten hydrologischen Modellierung mit der Modellierung des Wasserhaushaltes auf Tagesdatenbasis in einem landwirtschaftlich als Grünland genutztem Versuchseinzugsgebiet im Osterzgebirge. Auf Grundlage einer automatischen Kalibrierung der beiden Modelle soll der jeweils erhaltene beste Parametersatz und die Ergebnisse bezüglich des Wasserhaushaltes unter rezentem Klima verglichen werden. Besonderer Fokus soll dabei auf die Bodenparametrisierung durch Kartenwerke versus experimenteller Bestimmung und die Betrachtung von Fruchtfolgen durch eine dynamische Pflanzenphänologie gelegt werden. Zusätzlich soll eine Modellierung des Wasserhaushaltes für prognostizierte Klimaszenarien erfolgen. Die Ergebnisse der potentiellen Entwicklung der unterschiedlichen Wasserhaushaltsgrößen sind mit denen der rezenten Klimamodellierung zu vergleichen. Betreuer: Norbert Prange, Stefan Werisch 4

5 (f) Vergleich einer prozessorientierten hydrologischen Modellierung mit der Modellierung des Wasserhaushaltes für ein mikroskaliges Waldeinzugsgebiet im Erzgebirge unter rezentem und prognostiziertem Klima mit WaSiM-ETH. Die Arbeit beschäftigt sich zunächst mit dem Vergleich einer zeitlich hochaufgelösten, prozessorientierten hydrologischen Modellierung mit der Modellierung des Wasserhaushaltes auf Tagesdatenbasis in einem forstlich genutztem Versuchseinzugsgebiet im Osterzgebirge. Auf Grundlage einer automatischen Kalibrierung der beiden Modelle soll der jeweils erhaltene beste Parametersatz und die Ergebnisse bezüglich des Wasserhaushaltes unter rezentem Klima verglichen werden. Besonderer Fokus soll dabei auf die Bodenparametrisierung durch Kartenwerke versus experimenteller Bestimmung von Bodenparametern und die Betrachtung von Fruchtfolgen durch eine dynamische Pflanzenphänologie gelegt werden. Zusätzlich soll eine Modellierung des Wasserhaushaltes für prognostizierte Klimaszenarien erfolgen. Die Ergebnisse der potentiellen Entwicklung der unterschiedlichen Wasserhaushaltsgrößen sind mit denen der rezenten Klimamodellierung zu vergleichen. Betreuer: Norbert Prange, Stefan Werisch (g) Bestimmung mittlerer Verweildauern des Grundwassers unter Berücksichtigung der Tritiuminputfunktion der Grundwasserneubildung auf Basis einer gekoppelten Modellierung mit AKWA-M, ISO- FLOW und MULTIS in Versuchseinzugsgebieten. Ziel der Arbeit ist es, mittels Messwerten des Tritiumgehaltes im Niederschlag und Abfluss und dem Programm MULTIS, die mittlere Verweildauer der langsamen Grundwasserabflusskomponente in verschiedenen Versuchseinzugsgebieten im Erzgebirge zu ermitteln. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich die Tritiumgehalte aufgrund von Speicher- und Mischungsprozessen in der Vegetation und im Boden bis hin zum Eintrag in das Grundwasser verändern. Diese Veränderung der Tritiumkonzentration bei der Passage von Vegetation und Boden soll mithilfe einer Kombination des Wasserhaushaltsmodells AKWA-M (Wasserflüsse) und dem Programm ISOFLOW (Tritiumkonzentration) simuliert werden. Anhand der sich ergebenden Tritiuminputfunktion in das Grundwasser und Messungen der Tritiumkonzentration aus Trockenwetterperioden im Abfluss der Versuchsgebiete kann dann mit dem Programm MULTIS die mittlere Verweildauer der langsamen Grundwasserabflusskomponente für die einzelnen Versuchsgebiete ermittelt werden. Betreuer: Norbert Prange, Dr. Robert Schwarze 10. Weitere Themen am IHM (Ansprechpartner Dr. Schütze/A. Philipp) (a) Abschätzung der Grundwasserneubildung für verschiedene Böden und Bewirtschaftungsformen in der Al Batinah Ebene (Oman) (b) Simulation und Optimierung von Bewässerungsversuchen an der Sultan Qaboos Universit ät (Oman) (c) Kalibrierung von Pflanzenparametern des Modells APSIM am Beispiel von Bewässerungsversuchen mit Mais (d) Abschätzung des potentiellen Wasserbedarfs für landwirtschaftliche Nutzpflanzen in der Al Batinah Ebene (Oman) mittels Monte Carlo Simulation (e) Implementierung von analytischen Inltrationsmodellen in Matlab und Geogebra (f) Implementierung von hydrologischen Modellen in Matlab und Geogebra für die Lehre (g) Studie zur Modellierung und Simulation von bewässerten Dattelpalmen (h) Visualisierung von flächenhaften Simulationsergebnissen in Google Maps unter Verwendung der Matlab Mapping Toolbox (i) Geostatistische Analyse und Modellierung von bodenhydraulischen Kennwerten (j) Modellierung und Optimierung von Leachingstrategien für die Bewässerungslandwirtschaft (k) Optimierung von Bewässerungsplänen mir Aquacrop 5

6 Oder aber Mitarbeiter entsprechend der eigenen Neigungen direkt auf Themen ansprechen! Welcher Mitarbeiter befasst sich womit? Bodenwasserhaushalt (Modellierung, Experimente, Parametrisierung): Dr. Franz Lennartz, Dr. Werner Dröge Bodenwasserhaushalt und Bewässerung (Modellierung, Optimierung, Experimente): Dr. Niels Schütze, Dipl.-Ing. agr. Sabine Walser, Dipl.-Hydrol. Sebastian Kloß Hydrologische/hydraulische Modellierung im Einzugsgebietsmaßstab (Hydrodynamik, Abflusskonzentration): Dipl.-Hydrol. Andy Philipp Hydrologie arider Gebiete (Modellierung, Optimierung): Dipl.-Hydrol. Alexander Gerner, Dr. Jens Grundmann, Dipl.-Hydrol. Andy Philipp Wasserhaushalt unter geänderten klimatischen Randbedinungen: Dipl.-Hydrol. Norbert Prange, Dipl.- Hydrol. Ruben Müller 6