Methodische Untersuchungen zur Wasserhaushaltsmodellierung im Rahmen der Waldökosystemforschung : Modellierung von Bestandeswachstum, Stoff- und Energieumsätzen mit TREEDYN am Beispiel Solling F1
In dieser Arbeit geht es um die Untersuchung von Modellansätzen zur Beschreibung des Wasserhaushalts von Waldökosystemen. Die Beschreibung des Wasserhaushaltssystems des Waldes wird in den Zusammenhang einer hierarchietheoretischen Begriffsbildung für die Ökosystemanalyse gestellt. Ansatz und Untersuchungsgegenstand werden bez. der zugrundegelegten Methodik und der Abgrenzung der intensiver untersuchten Teilaspekte in das landschaftsökologische Forschungsfeld eingeordnet. Die Untersuchung des Wasserhaushaltssystems des Waldes mit den Methoden der Modellbildung und Simulation erfolgt vor dem Hintergrund der Forschungspraxis in der Waldökosystemforschung und zielt auf die Verwendung des Wasserhaushaltsmodells in der Bestandeswachstumsmodellierung und im Rahmen von stoffhaushaltlichen Untersuchungen ab. Es werden Modelle für drei Subsysteme entwickelt: das Bodenwassermodell, das Schneedeckenmodell und das Evapotranspirationsmodell. In der Modellierung des Bodenwassersubsystems können anhand methodischer Kriterien drei Ansaetze unterschieden werden. Im Hinblick auf die Skalen der Untersuchung in der Waldökosystemforschung erweisen sich zwei der Ansätze als hinreichend flexibel: der realstrukturorientierte und der physikalische. Diese beiden Ansätze werden in methodischer und anwendungspraktischer Hinsicht verglichen. Es kann gezeigt werden, dass eine begründete Wahl nur in der direkten Gegenüberstellung entsprechender Modelle im Vergleich mit empirischen Daten getroffen werden kann. Die Voraussetzungen für einen solchen Vergleich werden geschaffen, indem ein Modell nach dem physikalischen Ansatz entwickelt und untersucht wird. Das Konzept des physikalischen Bodenwassermodells wird ebenso beschrieben wie die erforderlichen numerischen Lösungsmethoden. Das numerische Verfahren für ein eindimensionales Modell wird untersucht und erweist sich als zuverlässig. Die Probleme der räumlichen und zeitlichen Skalen in der Verwendung eines physikalischen Bodenwassermodells als Teil eines Wald-Wasserhaushaltsmodells werden diskutiert. Der experimentelle Test des Bodenwassermodells in der Simulation von Säulenversuchen zeigt Probleme in der Parametrisierung des Modells in den hydraulischen Bodeneigenschaften auf. In Übereinstimmung mit anderen Arbeiten können diese als Ausdruch einer Dynamik der hydraulischen Bodeneigenschaften gedeutet werden. Die Ergebnisse zeigen im Sinne einer Validierung auf kleiner Skale, dass die erhoffte methodische Absicherung der Modellergebnisse im physikalischen Ansatz nicht unterstellt werden kann. In der Modellierung der Schneedecke wird ein Energiebilanz-Modell des Abschmelzvorgangs um ein weiterentwickeltes Snow-Compaction-Verfahren für die Berechnung der Wasserbilanz der Schneedecke ergänzt. Das Schneedeckenmodell wird in der Anwendung auf den Solling kalibriert und erscheint valide. Im Evapotranspirationsmodell wird die aktuelle Evapotranspiration aus der potentiellen als Eingangsgroesse des Modells mit Hilfe einer Reduktionsfunktion errechnet. Die Koppelung des Wasserhaushaltsmodells an ein Bestandeswachstumsmodell wird diskutiert. Das Gesamtmodell wird auf einen Fichtenbestand im Solling angewandt. Die Gegenüberstellung verschiedener Parametersätze verdeutlicht im Zusammenhang mit ergänzenden Sensitivitätsanalysen die Rolle der verschiedenen Parameter. Die hydraulischen Bodeneigenschaften erweisen sich als situationsabhängig, und die Ergebnisse bestätigen darin andere Untersuchungen. Die Untersuchungsergebnisse in Anwendung auf den Solling erlauben Schlussfolgerungen bez. der Validität des Modells im Hinblick auf die Modellierungsziele im Rahmen der Waldökosystemforschung: Das physikalische Modell erweist sich als bedingt einsatzfähig. Die Bedingungen für einen solchen Einsatz werden geklärt, und der erhebliche Aufwand, den man betreiben muss, wird deutlich.
