Integrated Sediment Yield and Stock Assessment for the Passaúna Reservoir, Brazil
Creators: name: Sotiri, Klajdi
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2020

description: 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. Wenn 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.