Abstract:
Wasser und Energie sind die beiden Schlüsselaspekte der wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung einer Region. Stauhaltungen sind wichtige Strukturen für die Wasserversorgung, Bewässerung, Bergbau sowie die Energieversorgung durch Wasserkraft. Die Eingriffe des Menschen in die Flusssysteme durch den Bau von Stauseen sind jedoch mit mehreren Nachteilen verbunden. Grundsätzlich wird hierdurch ein Ökosystem unterbrochen. Die Stauseen, die die Störung eines Flusskontinuums verursachen, leiden auch daran, dass sie eine begrenzte Lebensdauer haben. Flüsse sind dynamische Systeme, die große Mengen organischen und mineralischen Materials von den Bergen bis zum Meer transportieren. ... mehrWenn sie aufgestaut werden, wird ein Stausee zur Senke von Partikeln. Eine große wissenschaftliche und ingenieurwissenschaftliche Herausforderung bei der Planung von Sanierungsmaßnahmen ist die Bewertung der Volumina, die das Reservoir in einer bestimmten Zeit erreichen. Das Sedimentvolumen und die entsprechende Masse kann entweder durch Monitoring und Modellierung des Sedimenteintrags aus dem hydrologischen Einzugsgebiet oder durch Messungen des Sediments im Stausee bestimmt werden. Im ersten Fall erschwert die räumliche und zeitliche Skala, in der die Sedimentmobilisierung in dem Einzugsgebiet stattfindet, die Ableitung zuverlässiger Quantifizierung des Sedimenteintrags. Im zweiten Fall trägt die Unterwasserumgebung des Stausees dazu bei, dass oft keine verlässlichen Daten zur Quantifizierung von zurückgehaltenen Sedimenten vorliegen.
Ziel dieser Arbeit ist eine bessere Beurteilung sowohl der Sedimenteinträge als auch der Sedimentablagerungen. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Quantifizierung von Erosion und Sedimenteintrag aus einem Einzugsgebiet mittels Modellierung. Das rasante Bevölkerungswachstum in vielen Regionen hat intensive Landnutzungs- und Landbede-ckungsänderungen zur Folge. Dies impliziert die Verwendung dynamischerer Modelle zur Abbildung der realen Bedingungen. Die technologischen Fortschritte in der Satellitenerkundung ermöglichen es, die räumliche und zeitliche Auflösung der Modelle zu verbessern, wobei die Auswirkungen der Integration dieser Daten auf die Modellergebnisse noch nicht analysiert sind. Um diese Verbesserungen beurteilen zu können, wurden die Einträge aus dem Passaúna Einzugsgebiet im Südosten Brasiliens untersucht. Für dieses Einzugsgebiet war es möglich, die Dynamik des Bodenverlusts und des Sedimenteintrags in einer monatlichen Auflösung zu modellieren und zu bewerten. In andere Worte, durch die Integration von frei verfügbaren Sentinel-2 Satellitendaten konnte die zeitliche und räumliche Auflösung im Vergleich zu den bisherigen Ansätzen reduziert werden.
Neben der Eintragsmodellierung wurde eine Quantifizierung der Sedimente im Passaúna Stausee durchgeführt. Es wurden verschiedene Fernerkundungs- sowie konventionelle und Proxy-Sediment-Probenahmeverfahren integriert, um die Genauigkeit der Sedimentbestimmung zu optimieren. Am Ende konnte eine genaue Abschätzung des Sedimentvolumens und der -dichte im Reservoir erreicht werden. Darüber hinaus wurde ein Leitdiagramm zur Auswahl der besten Sedimentnachweismethode in Abhängigkeit der Sedimenteigenschaften erarbeitet.
Die Ergebnisse beider Abschnitte sind eng miteinander verbunden, da der Sedimenteintrag aus einem Wassereinzugsgebiet auch die Sedimentmenge ist, die in einem Reservoir wie Passaúna gefunden werden sollte, wo der Sedimentationsvermögen annähernd 100 % beträgt. In diesem Fall unterschätzt die Modellierung um ca. 50 % im Vergleich zum Sedimentbestand im Reservoir. Die wichtigsten Faktoren, die zu dieser Diskrepanz beitragen, sind die Nichtberücksichtigung der Rinnen-Erosion im Sediment-Eingangsmodell, Fehler im Berechnungsprozess, die Eigenproduktion des Reservoirs und Fehler bei der Sedimentquantifizierung.
Die wichtigsten Erkenntnisse, die sich aus den Ergebnissen dieser Arbeit ergeben, sind die erfolgreiche Integration von satelliten-basierten Eingangsparametern in einen Modellierungsansatz zur Verbesserung der Sedimenteintragsabschätzung und die Kombination mehrerer Methoden zur exakten Beurteilung der Stauseeverlandung. Die Ergebnisse dieser Dissertation können dazu beitragen, die Lücke zwischen den beiden Aspekten des Sedimenthaushalts zu schließen, indem zunächst eine exakte Bewertung des Sedimentbestands der Reservoirs vorgenommen wird und zweitens die Diskrepanz der einzelnen beteiligten Faktoren für eine Fallstudie quantifiziert wird.
Abstract (englisch):
Water and energy are the two key aspects driving economic and social development of a region. River impoundments are important structures for providing water, in case of domestic use, irrigation or mining and for providing energy as in the case of hydropower. The human interference in the riverine systems for creating these reservoirs is accompanied with several drawbacks. One and most important: ecosystem disruption. The reservoirs, which cause the disruption of a river continuum, also suffer from it by having a limited lifetime. Rivers are dynamic systems, which transport large amounts of organic and mineral material from the mountains until the sea. ... mehrWhen they are impounded, this continuum is divided and the reservoir becomes the first sink of the particles. In order to plan remediation measures, a major scientific and engineering challenge is the assessment of sediment amounts that reach the reservoir in a certain time. The sediment volume/mass can be assessed via either the monitoring and modelling of sediment input from the hydrological catchment or, by measurements of the sediment volume in the reservoir. In the first case the spatial and temporal scale in which sediment mobilization takes place in the watershed, in addition to the episodic nature of sediment formation, make it difficult to derive reliable assessments of sediment input. On the other hand, the underwater environment and the spatial extent of the reservoir contributes also in the lack of reliable results concerning volumetric assessment of sediment.
This study aims at a better assessment of both aspects of sediment input and reservoirs’ sediment accumulation. The first part of this thesis deals with the quantification of erosion and sediment input from a watershed via modelling. The rapid population growth in many regions has dictated intense land use and landcover changes. These imply the usage of more dynamic models. Technological advancements in satellite imagery make it possible to improve the spatial and temporal resolution of the models but the overall effects of the integration of this data on the results are still not fully investigated. For assessing the improvement due to the technological advancement, the case of Passaúna catchment, located in southeast Brazil was examined. For this catchment, it was possible to quantify the sediment input and soil loss interanual dynamics in a monthly timestep, and to evaluate to what extent the inclusion of freely available satellite imagery can improve the modelling results. In other words, the integration of freely available Sentinel 2 satellite data made it possible to reduce the time and spatial resolution in comparison to the existing similar approaches.
The second part of the thesis deals with the quantification of the sediment volume in the Passaúna reservoir. In this study, five different remote sensing as well as conventional and proxy sediment sampling techniques are integrated for increasing the accuracy of sediment volume assessment. At the end, an accurate assessment of the sediment volume in the reservoir was achieved. In addition, a guiding diagram to choose the most suitable sediment detection method, depending on sediment characteristic (sediment magnitude and biochemical activity) was derived.
The results of both sections are closely related as the sediment input from a watershed is also the sediment amount that should be found in a reservoir like Passaúna where the trapping efficiency is ~100%. In this case, there is a difference of almost 50% between the modelled sediment input and the sediment stock in the reservoir. The most important factors contributing in this discrepancy are the non-inclusion of gully-channel erosion in the sediment input model, errors in the calculation process, internal production of the reservoir, and errors in the measuring process.
In overall based on the results of this thesis, the most important findings consist in the successful integration of freely available satellite imagery in a modelling approach to improve the sediment input assessment, and the combination of several methods for an accurate assessment of reservoir siltation. The findings of this thesis can contribute in bridging the gap between the two aspects of sediment budget by initially achieving an accurate reservoirs’ sediment stock assessment and secondly by quantifying the discrepancy of each contributing factor for a case study.
