An Integrative System Approach to Flash Flood Hydrology

Die Systemansatz, deren Wurzeln in der „Operations Research “ sowie
in der Notwendigkeit einer Entscheidungsunterstützung während des
Zweiten Weltkriegs liegen, bietet einen strukturierten Rahmen, um
komplexe, miteinander interagierende Komponenten in natürlichen
und technischen Systemen zu verstehen. Statt isolierte Elemente zu
betrachten, stellt sie Rückkopplungen, Nichtlinearitäten und systemweite
Reaktionen in den Mittelpunkt. In der Hydrologie
ermöglicht die Systemanalyse, Einzugsgebiete als
integrierte Systeme zu begreifen, die auf dynamische meteorologische
... mehr
Eingangsgrößen reagieren und Abfluss erzeugen, wobei die räumliche Struktur
der Landschaft als wesentlicher Teil des Problems berücksichtigt
wird.
In dieser Arbeit charakterisiere und bearbeite ich drei Arten von
Systemproblemen – Analyse, Design und Inversion – mit einem besonderen
Fokus auf der Verbesserung der hydrologischen Modellierung
von Sturzfluten. Das übergeordnete Ziel besteht darin, die Vorsorge
auf derartige Extremereignisse zu verbessern, insbesondere
in datenarmen Regionen. In Kapitel 2 nutze ich gradientenbasierte
Vereinfachungen, um hydrologische Modelle auf der Hangskala
aufzusetzen und diese mithilfe eines Klima-Reanalyseprodukts zu
initialisieren, um konvektiv getriebene sommerliche Sturzfluten in vier
Kopfeinzugsgebieten in Südwestdeutschland vorherzusagen. Die Ergebnisse
zeigen, dass durch den Transfer hydrologischer Parameter aus benachbarten
experimentellen Einzugsgebieten eine manuelle
Kalibrierung für eine erste Abschätzung der Sturzflutdynamik
nicht mehr notwendig ist. Damit wird ein
Beitrag zur Lösung des Problems der Vorhersage in unbeobachteten
Einzugsgebieten (Prediction in Ungauged Basins, PUB) geleistet.
Kapitel 3 beginnt mit der Herausforderung, Modellierungsfähigkeiten für Sturzfluten
über Skalen hinweg zu verknüpfen. Dazu wird ein gekoppeltes hydrologisch-hydraulisches
Modell auf der Mesoskala (ca. 200 km²) aufgebaut, das eine vektorisierte
Darstellung repräsentativer Hänge auf Teileinzugsgebietsebene mit
einem standardisierten eindimensionalen kinematischen Flood-Routing kombiniert,
um Simulationen auf die Einzugsgebietsskala zu übertragen.
Das vorgeschlagene Modellkonzept wird auf eine historische Sturzflut
in Baden-Württemberg angewandt und ermöglicht die Rekonstruktion
der Hochwasserdynamik in schlecht beobachteten Kopfeinzugsgebieten. Aufbauend
auf diesen Ergebnissen werden natürliche Hochwasserschutzmaßnahmen als Alternative zu klassischen, baulichen
Hochwasserrückhaltebecken untersucht.
In Kapitel 4 nutze ich neuste Fortschritte im datengetriebenen Lernen,
um ein regionales neuronales Netzwerk zu entwickeln, das
Niederschlag aus Abflussdaten invers bestimmt. Ziel ist zu prüfen, ob
Abflussdaten genutzt werden können, um Niederschlagsschätzungen
auf Einzugsgebietsskala zu verbessern und Extremereignisse dadurch
besser zu charakterisieren. Das trainierte Modell wird anschließend
eingesetzt, um die antreibenden Niederschläge in unabhängigen,
außerhalb des Trainingsdatensatzes liegenden Einzugsgebieten zu prognostizieren.
Kapitel 5 integriert die drei Fragestellungen der Arbeit und
verdeutlicht anhand einer exemplarischen Analyse die Bedeutung der
Verknüpfung unterschiedlicher Ansätze für eine ganzheitliche hydrologische
Bewertung auf Einzugsgebietsskala. Das Kapitel schließt mit
einem Ausblick, der zukünftige Schritte zur Weiterentwicklung der in
dieser Arbeit vorgeschlagenen Methoden.
Insgesamt trägt diese Arbeit zu einer verbesserten hydrologischen
Modellierung und zu einer besseren Vorbereitung auf Extremereignisse
bei, indem sie (a) Vorhersagefähigkeiten in datenarmen Regionen
weiterentwickelt, (b) räumliche Skalen in der Modellierung von Sturzfluten
überbrückt und (c) Niederschlagsschätzungen invers korrigiert, um
Einzugsgebietsreaktionen besser abzubilden.

Systems approach, having its roots in operations research and decision making needs during World War II, provides a structured framework for understanding complex, interacting components within natural and engineered systems. Rather than focusing on isolated elements, it emphasises feedback, nonlinearity, and system-wide responses. In hydrological sciences, system analysis provides a lens for interpreting catchments as integrated systems in which dynamic meteorological forcing drives runoff generation, explicitly considering the landscape controls of the problem.
In this thesis, I characterise and solve the three classes of system problems, namely Analysis, Design and Inverse, with a specific focus on improving hydrological modelling of flash floods. ... mehrMy overarching goal is to improve preparedness for such extreme events, particularly in data-scarce regions. In Chapter 2, I utilise gradient-based simplifications to set up hillslope scale hydrological models and initialise them using a climate reanalysis product to predict convective storm-driven summer flash floods in four headwater catchments over southwest Germany. The results indicate that utilising hydrologic parameter transfer from nearby experimental catchments can eliminate the need for manual calibration when making an initial estimate of flash flood dynamics, thereby making strides toward solving the Prediction in Ungauged Basins (PUB) problem.
Chapter 3 opens by addressing the challenge of linking modelling capabilities across scales for flash floods. A coupled hydrologic–hydraulic model is setup at the meso-catchment scale (approximately 200 km²), using a vectorised depiction of representative hillslopes at the sub-catchment level and standard one-dimensional kinematic routing to upscale simulations to the catchment scale. I apply the proposed framework to a historical flash flood in Baden-Württemberg, Germany, enabling the reconstruction of flood dynamics in poorly gauged headwater regions. Based on these results, nature-based flood mitigation measures are explored as alternatives to conventional structural flood-control reservoirs.
In Chapter 4, I leverage recent advances in data-driven learning to develop a regional neural network model that performs precipitation inversion from discharge. The main goal is to examine if discharge data can be used to improve precipitation estimates at the catchment scale for better extreme event characterisation. The trained model was then used to predict driving storm forcings at out of sample catchments. Chapter 5 integrates the three problems of the thesis and demonstrates, through an exemplary analysis, the importance of linking different approaches for a holistic hydrologic assessment at the catchment scale. The chapter concludes with an outlook section outlining future directions to advance the methodologies proposed in this work.
Overall, this thesis contributes to improved hydrological modelling and enhanced preparedness for extreme events by (a) advancing prediction capabilities in data-scarce regions, (b) bridging spatial scales in flash flood modelling, and (c) inversely correcting precipitation estimates to better reflect catchment responses.