Die Integration von hydrologischen, hydrogeologischen, bodenphysikalischen und hydrodynamischen Prozessen stellt in den angewandten Wissenschaften eine große Herausforderung dar. Die unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen sowie die Heterogenitäten innerhalb der Projektgebiete bezogen auf physiogeografische Eigenschaften erfordern ganzheitliche Modellansätze und machen eine dynamische Prozesskopplung mit klassischen Methoden kaum möglich. Weiterhin erschweren die unterschiedlichen Komplexitätsgrade der abzubildenden Prozesse eine dynamische Kopplung. Oftmals werden sehr unterschiedliche mathematische Ansätze für die Beschreibung der Wasserbewegungen innerhalb dieser Disziplinen verwendet. Eine Disziplinen-übergreifende Prozessintegration erfolgt dann in vielen Fällen ausschließlich als eindirektionale Kopplung.

In der angewandten Hydrosystemmodellierung erfordern einige Fragestellungen einen ganzheitlichen Ansatz mit einer verlässlichen und dynamischen Beschreibung der Interaktion von Wasser. Dazu zählen beispielsweise Sturzflut-Simulationen mit Risikoabschätzungen oder auch ein nachhaltiges Bewässerungsmanagement im Kontext sinkender Wasserverfügbarkeit. Beide dieser Beispiele setzen zumindest die Kopplung zwei der oben genannten Disziplinen voraus.

Das Ziel des Forschungsvorhabens D-SWAP ist die vollständig integrierte Abbildung der wasserbezogenen Prozesse innerhalb eines einzigen Modells. Es wird ein neuartiger Modelltyp entwickelt, der auf der gitterfreien Interpolationsmethode SPH (smoothed particle hydrodynamics) basiert. Die Methode ist numerisch stabil und ist generell erweiterbar. Die Implementierung erfolgt auf Grundlage des GPU-CUDA framework, was durch die Parallelisierbarkeit eine effiziente Softwareanwendung ermöglicht. In weiten Bereichen der Hydrodynamik wird die Methode bereits angewendet. In der Hydrologie findet die Methode bisher kaum Beachtung, was in erster Linie durch das große Skalenspektrum der Fachrichtung begründet ist. Ein innovativer Kern des Vorhabens beinhaltet die Entwicklung von intelligenten Skalierungsmethoden, um auch die Prozesse in großskaligen Gebieten abzubilden. In Analogie zu in der Bodenkunde etablierten Skalierungsverfahren werden Skalierungsmethoden entwickelt, die sich sowohl die Raumeigenschaften als auch auf die Partikeleigenschaften und auf die Zeit beziehen.

Der Ablaufplan des Projekts sieht drei Meilensteine vor. Der erste Meilenstein beinhaltet eine detaillierte Prozessbeschreibung der Wasserbewegungen innerhalb der genannten Disziplinen bezogen auf die Mikroskala. Das neue Modellsystem wird anhand von Felddaten der institutseigenen Messstation (Klimastation mit umfangreichen meteorologischen Messdaten sowie Tensiometermessdaten, Bodenfeuchtemessungen und Bodentemperaturen) getestet. Der zweite Meilenstein beinhaltet die Anwendung des Modellsystems auf das Hühnerwassereinzugsgebiets. Hierbei werden auch die Skalierungsmethoden getestet und validiert. Durch die in diesem Gebiet umfangreich installierte Messtechnik soll das neuartige Modellsystem validiert werden. Die Anwendung auf mesoskalige Einzugsgebiete ist das Ziel des dritten Meilensteins. Hierbei wird das ca. 900 km² große Einzugsgebiet der Wümme bis zum Pegel Hellwege in Betracht gezogen.

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