Isomap - Ein datenanalytischer Ansatz zur Identifikation gekoppelter unter- und oberirdischer Fließprozesse

Christoph Merz1, Gunnar Lischeid1, Steven Böttcher1
1 Institut für Landschaftswasserhaushalt, Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung

O 14.6 in Urban hydrogeology

15.04.2016, 15:00-15:15, Audimax B, Geb. 30.95

 

 

Intensive Trinkwasserentnahmen und klimatische Veränderungen zählen vielerorts zu den Hauptgründen für sinkende Grundwasserstände und zurückgehende Abflüsse von Oberflächengewässern. Insbesondere in urbanen und peri-urbanen Räumen folgt daraus ein hohes Potenzial an Nutzungskonflikten. Wassermanagementkonzepte sind oft nicht an diese Herausforderungen angepasst. Es fehlt an validen Methoden, um das Wechselspiel zwischen den teilweise komplexen hydrogeologischen Untergrundeigenschaften und den Auswirkungen anthropogener Nutzung hinreichend identifizieren und steuern zu können. Notwendigerweise sind hierfür die relevanten prozessbasierten hydraulischen Steuergrößen zu identifizieren und in ihrer oft nicht-linearen, differenzierten Wirkung bzw. Rückkopplung zu beurteilen. Die hierfür notwendigen hydraulischen Modelle sind vorhanden und intensiv genutzt. Es fehlt allerdings an ausreichend fundierter Datengrundlage, um die Modelle entsprechend ihrer Zielstellung parametrisieren zu können. Ein notwendiges Anliegen ist daher die verbesserte Identifikation und qualitative Charakterisierung der hydraulischen Verhältnisse im Untergrund intensiv genutzter Standorte. Im Rahmen des Vortrages möchten wir einen methodischen Ansatz vorstellen, der auf Grundlage standardisiert erfasster Grund- und Oberflächenwasserganglinien mit neuen Methoden der multivariaten Datenauswertung eine verbesserte Identifizierung hydraulisch/hydrologischen Prozesse sowie Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen  unter komplexen hydrogeologischen Bedingungen ermöglicht.

Der Ansatz beschreibt einen systematischen Weg zur Extraktion der in den Daten enthaltenen Information anhand einer nicht-linearen Dimensions-Reduktions-Methode, dem „Isometric Feature Mapping“ (Isomap). Das Verfahren wurde exemplarisch auf Grundwasser- und Seewasserstandszeitreihen in einem intensiv genutzten Einzugsgebiet im periurbanen Bereich NE Berlins angewandt. Im Ergebnis beschreiben zwei Faktoren 95% der Varianz der Grundwasserdynamik: (1) den mit dem Abstand abnehmenden Einfluss eines Wasserwerks und (2) der räumlich differenzierte Einfluss der Grundwasserneubildung im Untersuchungsgebiet. Im Ergebnis konnten zuvor unbekannte hydraulische Verbindungen zwischen Grundwasserstockwerken sowie zwischen der Wasserfassung und naheliegenden Seen identifiziert werden. Die Methode ermöglicht somit eine unabhängige Validierung der hydrogeologischen Modellvorstellung als Grundlage einer verbesserten hydraulischen Modellierung  und eines angepassten Wassermanagements.



BÖTTCHER, S., MERZ, C., LISCHEID, G., DANNOWSKI, R. (2014): Using Isomap to differentiate between anthropogenic and natural effects on groundwater dynamics in a complex geological setting. - Journal of Hydrology 519, Part B, 1634-1641.



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