Kalibrierung und Sensitivitätsanalyse eines Wasserhaushaltsmodells für Waldstandorte : Dissertation

Freiburg im Breisgau

2005

176 S.

126 Abb., 25 Tab., 53 Lit. Ang.

Bandaufführung

129520

Zur Bestimmung des Wasserhaushaltes von Waldökosystemen werden vielfach numerische Modelle auf Basis der Richardsgleichung eingesetzt. Dabei stellt sich die Frage, welche Aussagen zur Wasserhaushaltscharakteristik getroffen werden können, mit welchem fehlerbedingten Variationsbereich bei den Modellergebnissen zu rechnen ist und welche Genauigkeitsanforderungen an die Eingangsgrößen zu stellen sind. Zur Beantwortung dieser Fragen wird der Wasserhaushalt am Beispiel von zwei Fichtenwaldbeständen im Nordschwarzwald mit Hilfe des Modells WHNSIM (HUWE 1992) berechnet. Zunächst wird das Modell entsprechend den jeweiligen Bestandes- und Standortsverhältnissen parametrisiert. Anschließend erfolgt eine manuelle Kalibrierung, bei der die Parameter gutachtlich so lange variiert werden, bis sich eine möglichst gute, visuelle Übereinstimmung zwischen den vom Modell simulierten Bodenzustandsgrößen und den entsprechenden Messwerten ergibt. Auf Grund der unsicheren Messung des Wassergehaltes in skelettreichen Böden wird der Kalibrierung mit gemessenen Tensionen der Vorzug gegeben. Es wird herausgearbeitet, dass logarithmierte Tensionen gegenüber unlogarithmierten Tensionen eine deutlich engere Beziehung zur Sickerwasserbewegung im Boden haben und daher besonders gut zur Modellkalibrierung geeignet erscheinen. Mit Hilfe einer Transformation kann die Unstetigkeit der Logarithmusfunktion umgangen werden, so dass der gesamte Bereich der im Boden vorkommenden Tensionen zur Kalibrierung genutzt werden kann. Die beste Übereinstimmung zwischen den vom Modell in Tagesschritten berechneten Tensionen und den stündlichen Messwerten ergibt sich, wenn der Mittelwert aus den 24 gemessenen Tensionen zwischen 12 Uhr und 12 Uhr des folgenden Tages berechnet wird. Als quantitativer Maßstab zur gleichwertigen Beurteilung der Anpassungsgüte des Modells in mehreren Bodentiefen wird die mittlere quadratische Abweichungssumme der logarithmierten Tensionen berechnet. Mit Hilfe eines auf der Simplex-Methode beruhenden Optimierungsverfahren wird eine automatisierte Kalibrierung durchgeführt. Dabei werden die Modellparameter innerhalb vorgegebener Bereiche variiert bis sich ein Maximum der Anpassungsgüte des Modells ergibt. Durch die manuelle Kalibrierung kann die Übereinstimmung zwischen den vom Modell simulierten Tensionen und den gemessenen Tensionen stark verbessert werden. Die automatisierte Kalibrierung steigert nochmals die Anpassungsgüte im Vergleich mit der manuellen Kalibrierung. Der Wasserhaushalt der untersuchten Standorte unterscheidet sich deutlich: Am Standort Rotenfels herrschen trotz geringer Bodenwasserspeicherkapazität ganzjährig ausgeglichene Feuchtigkeitsverhältnisse. Auf Grund einer geringen Verdunstung gelangen zwei Drittel des Freilandniederschlages in die Tiefensickerung. Hingegen treten am Standort Altensteig bei einer größeren Bodenwasserspeicherkapazität längere Trockenperioden mit eingeschränkter Verdunstung und ohne Tiefensickerung auf. Neben den Bodeneigenschaften ist vor allem das Lokalklima sowie die stark abweichende Exposition und Neigung der Standorte für diese Unterschiede verantwortlich. Eine besonders große Sensitivität der vom Modell berechneten Tiefensickerung ergibt sich gegenüber den Eingangsvariablen Bestandesniederschlag und potenzielle Evapotranspiration. Variationen der Standortsparameter finden sich hingegen nur abgeschwächt im Modellergebnis wieder. Als Fazit bleibt festzuhalten, dass sich nicht alle bei der Autokalibrierung erzeugten Parameter bodenphysikalisch sinnvoll interpretieren lassen, obwohl sämtliche Parameter nur innerhalb vorgegebener, zulässiger Bereiche variiert werden. Daraus ergeben sich Möglichkeiten und Grenzen der prozessorientierten Modellierung von Ökosystemverhalten.