Darstellung und Analyse hydrologischer Topologien auf der Basis ...

1.2 Stand der Forschung 7
Physikalisch basierte Modelle verwenden zur Abbildung hydrologischer Prozesse sowohl physikalische
Gesetzmäßigkeiten von Energie- und Massetransfers als auch Parameter, die physikalisch im
Gelände messbar sind. Als Beispiel für physikalisch-basierte Modelle sind SHE (Bathurst 1986) und
IHDM (Calver 1988) zu nennen, die auf der Einzugsgebietsskala erfolgreich validiert werden konnten.
Obwohl physikalisch basierte Modelle aufgrund ihrer Datenabhängigkeit und dem damit verbundenen
Problem ihrer Bereitstellung Schwachstellen aufweisen, existieren für viele Modellanwendungen wie
beispielsweise die Simulation von Landnutzungs- und Klimaänderungen und deren Einflüsse auf den
Wasserkreislauf eines Einzugsgebiets keinerlei Alternativen (Refsgaard 1996). Sie finden daher breite
Anwendung und stehen im Fokus anhaltender Forschungsaktivitäten (Staudenrausch 2001).
Konzeptionelle Ansätze nehmen eine nicht klar definierte Zwischenstellung zwischen empirischen
und physikalisch basierten Modellen ein. Sie verwenden vereinfachte Repräsentationen grundlegender
hydrologischer Prozesse. Oft wird darunter auch eine Aggregation verschiedener Prozesse über
ein Flächenelement verstanden (Anderson und Burt 1985). Zur Abgrenzung gegen rein empirische
Modelle wird allerdings gefordert, dass die Verfahrensparameter konzeptioneller Prozessdarstellungen
im Gebiet messbar sind und einer physikalischen Grundlage damit nicht völlig entbehren.
1.2.1.2 Stickstofftransportmodellierung
Bei der Modellierung von Stoffflüssen kommt neben der Darstellung der relevanten Stoffumwandlungsprozesse
dem Transportmedium eine besondere Bedeutung zu. Im speziellen Fall der Stickstofftransportmodellierung,
die als Anwendungsfall der Problemlösung innerhalb dieser Arbeit näher
betrachtet werden soll, wirkt das Transportmedium Wasser zudem auch als Reaktionsmedium. Eine
gemeinsame Betrachtung beider Komponenten ist daher unabdingbar (Fink 2004). In den letzten
Jahren wurden zahlreiche Modelle entwickelt, die eine Beschreibung aller für den Wasser- und Stoffhaushalt
relevanten Prozesse umfassen, ohne dabei jedoch den lateralen Stofftransport zu berücksichtigen.
Beispielhaft können hier die Modelle CANDY (Franko u. a. 1997), DYNAMIT (Huwe u. a.
1997) oder HERMES (Kersebaum und Richter 1997) genannt werden. Wie Fink (2004) jedoch zeigen
konnte, kommt auch bei der Stickstofftransportmodellierung der Berücksichtigung topologischer
Beziehungen im Einzugsgebiet eine große Bedeutung zu. Daher exisitiert eine Reihe von Modellen
wie WASMOD (Reiche 1991), AnnAGNPS (Bosch u. a. 2001) oder ANSWERS (Dillaha u. a. 2001,
Bouraoui u. a. 2002), welche den Transport der ermittelten Stofffrachten über laterale Abflusskomponenten
bis zum Vorfluter abbilden können. Mit Ausnahme von WASMOD sind diese Modelle aus
rasterbezogenen Ansätzen zur Beschreibung des Oberflächenabflusses und der Erosion und den damit
verbundenen Stofftransportprozessen entstanden und sind somit nicht in der Lage, Beziehungen
zwischen natürlichen Teilflächen wie etwa kleinsten gemeinsamen Geometrien adäquat abzubilden.
1.2.1.3 Szenarienentwicklung
Über die Modellierung aktueller Verhältnisse im Einzugsgebiet hinaus sind die potenziellen Möglichkeiten
zukünftiger Entwicklung, in Abhängigkeit von ihren Einflussfaktoren, von großer Bedeutung