Modellierung der Wasser-, Wärme- und Stickstoffdynamik von Böden in Landschaften: Analysen zu Komplexität, Dimensionalität und Parameterqualität

DFG Hu 636/6-1 und DFG 636/6-3

Von 09/1998 bis 08/2002

Projektleiter: Bernd Huwe
Mitarbeiter: Stefan Engelhardt, Petra Thres, Matthias Zipprich

Ausgehend von der Bedeutung des Kompartiments Boden für den Wasserhaushalt heterogener Einzugs-gebiete und Landschaften wird in dem Projekt die Frage geklärt, welcher Grad an Komplexität für die Modellierung des Wasserhaushalts von Böden in Landschaften erforderlich ist. Den Untersuchungen liegt zunächst ein intuitiver Komplexitätsbegriff zugrunde (Prozesse und deren Kopplungen, Dimension des Parameterraums, strukturelle, funktionelle und morphologische Gliederung des Modellgebiets), der durch quantitative Informations- und Komplexitätsmaße auf der Grundlage der symbolischen Dynamik ergänzt wird, auf denen systematische Berechnungen zur Reduktion der Modellkomplexität aufbauen. In diese Berechnungen werden sowohl natürliche Systeme als auch Modelle auf verschiedenen Aggregati-onsniveaus einbezogen und die Ergebnisse jeweils verglichen. Die verwendeten Modelle basieren auf dem hinsichtlich der integrierten Prozesse und Prozeßkopplungen komplexen, deterministischen Stick-stoffhaushaltsmodell WHNSIM bzw. DYNAMIT zur Simulation des Wasser-, Wärme , und Stickstoffdynamik in kleinen, einfach strukturierten überwiegend landwirtschaftlich genutzten Einzugs-gebiet. Ferner wird das Modell Hydrus 2-D sowie die im hydrologisch ausgerichteten Teilprojekt (Arbeitsgruppe Becker) entwickelten Abflußmodelle auf Einzugsgebietsniveau in die Analysen einbezo-gen. Die Berechnungen werden mit realistischen Datensätze durchgeführt, die im Untersuchungsgebiet erhoben werden. Ergänzend zu den Daten des Forst-Einzugsgebiets werden Zeitreihen aus Agrarökosys-temen verwendet. Hauptziel des Projekts ist die Optimierung der Modellkomplexität im Hinblick auf gewünschte Genau-igkeit und Handhabbarkeit, sowie die Ableitung einfacherer effektiver Modellansätze auf der Basis verschiedener theoretischer Ansätze (Fuzzy-Set-Theorie (FST), Künstliche Neuronale Netze (KNN), Korrelations- und Regressionsbäume (CART)). Diese Ansätze sind dann in ein umfassendes Land-schafts-Modellsystem (PROMET) zu integrieren und in diesem Kontext auszutesten. Die Regionalisierung von Bodenparametern soll unter Verwendung des CART-Verfahrens durchgeführt werden. Die Beurteilung von Parameterunschärfen erfolgt auf der Grundlage des "Fuzzy Numerical Algorithm" (FNA). Die erste (bewilligte) Projektphase (01.01.1999-31.12.2000) konzentriert sich vor allem auf die Einrichtung der Meßflächen, die Etablierung der Meßprogramme und die Durchführung von Berechnungen zur Komplexität natürlicher und künstlicher Systeme sowie zur Reduktion der Mo-dellkomplexität. In der zweiten (beantragten) Phase (01.01.00-31-12.02) erfolgt hierauf aufbauend die Regionalisierung von Modellparametern mit dem CART-Verfahren, die Ableitung effektiver Modelle und deren Integration in ein Landschaftsmodell, sowie Berechnungen zur Bewertung von Parameterun-schärfen.

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