Vorsitzender der Prüfungskommission für den Studiengang Landwirtschaft
Mitglied der Prüfungskommission für die Studiengänge Agrartechnik und Lebensmittelmanagement
Technical Note: Analytical sensitivity analysis of a two parameter recursive digital baseflow separation filter (2012) Hydrology and Earth System Sciences (HESS) 16 , S. 451-455.
DOI: 10.5194/hess-16-451-2012
A sensitivity analysis for a well-established baseflow separation technique, a two parameter recursive digital filter, is presented. The sensitivity of the calculated baseflow index to errors or uncertainties of the two filter parameters and of the initial baseflow value is analytically ascertained. It is found that the influence of the initial baseflow value is negligible for long time series. The propagation of errors or uncertainties of the two filter parameters into the baseflow index is expressed by a dimensionless sensitivity index, the ratio between the relative error of the baseflow index and the relative error of the respective parameter. Representative index values are derived by application of the resulting equations to 65 North American catchments. In the mean the parameter a, the recession constant, has a stronger influence on the calculated baseflow index than the second filter parameter BFImax. This is favourable in that a can be determined by a recession analysis and therefore should be less uncertain. Whether this finding also applies for a specific catchment can easily be checked by means of the derived equations.
Prof. Dr. Klaus Eckhardt
Berechtigungen: Peer Reviewed
A comparison of baseflow indices, which were calculated with seven different baseflow separation methods (2008) Journal of Hydrology 352 (1-2), S. 168-173.
DOI: 10.1016/j.jhydrol.2008.01.005
Baseflow indices for 65 North American catchments are compared, which were calculated with seven different baseflow separation methods (HYSEP1, HYSEP2, HYSEP3, PART, BFLOW, UKIH, and Eckhardt). Since the true values of the baseflow index are unknown, it cannot be said, which one of the methods gives the best estimates. However, the results of the Eckhardt method appear to be hydrologically more plausible than those of the other algorithms. Furthermore, this algorithm can be applied to hydrographs of any time step length. A simple technique for assessing the recession constant – one of the parameters of the algorithm – is presented.
Prof. Dr. Klaus Eckhardt,
Nicola Fohrer,
Hans-Georg Frede
Berechtigungen: Peer Reviewed
Automatic model calibration (2005) Hydrological Processes 19 (3), S. 651-658.
DOI: 10.1002/hyp.5613
Models used for prognostic purposes should, as far as possible, be physically based, as empirical modelslose their validity if boundary conditions are changed too much. Yet, a physical description of hydrological processes may be possible at the scale of single pores, but not in models for entire catchments. In the lattercase, in general small-scale physics developed for homogeneous systems is used under the assumption that the corresponding equations can be applied at larger spatial scales with the same parameters. An example is Darcy’s law describing theflow in porous media. Originally, it was developed from experiments with small soilcores. In numerical groundwater models, however, it is applied at scales of up to kilometres. At these scales,parameters like the hydraulic conductivity are no longer measurable and therefore are considerably uncertain.This pertains to a wide range of models, not only to numerical groundwater models such as MODFLOW(McDonald and Harbaugh, 1989), but also to analytical models that simulate processes at the catchment scalesuch as SHE (Abbottet al., 1986) or SWAT (Arnoldet al., 1998).
Prof. Dr. Klaus Eckhardt
Berechtigungen: Peer Reviewed
How to construct recursive digital filters for baseflow separation (2005) Hydrological Processes 19 (2), S. 507-515.
DOI: 10.1002/hyp.5675
There is widespread agreement that good correspondence of measured and calculated streamflow at the catchment outlet is not a sufficient criterion for the validity of a physically based hydrologic model, but that additional knowledge concerning catchment-internal processes is needed (e.g. Beven, 1989). Yet, for many catchments such information is not available and the model’s performance can only be assessed by comparing calculated and measured streamflow. However, the information provided by a hydrograph is not limited to the absolute height of the runoff. For example, a separation of the hydrograph allows for identification of runoff components originating from different compartments of the considered system, and responding differently delayed and smoothed to rainfall events. An example of the potential benefit of this information for modelverification has been given by Eckhardt et al. (2002).
Prof. Dr. Klaus Eckhardt,
Klaus Bigalke
Berechtigungen: Peer Reviewed
Comparison of two model systems for the calculation of the solar irradiance on shaded, arbitrarily orientated surfaces (2004) Meteorologische Zeitschrift 13 (5), S. 369-372.
DOI: 10.1127/0941-2948/2004/0013-0369
In its guideline 3789, part 2, the VDI (Verein Deutscher Ingenieure – German Association of Engineers) presents methods that allow the calculation of hourly values of the global irradiance on arbitrarily orientated surfaces. In the present study, these approaches are compared to an alternative combination of previously published models for different partial stages of the simulation that have been implemented in a program called METSUN. It is shown that measurements of the global radiation and of its components can be better reproduced with METSUN than with the approaches of the VDI guideline. Furthermore, the alternative modelcombination is more flexibly usable. The VDI guideline imperatively requires observations of the degree of cloud cover. With METSUN, however, also sources of information that provide values of the global irradiance on an unshaded horizontal plane can be used as starting point of the calculations, for example measurements of the global radiation at a nearby meteorological station. It is shown that this can increase the reliability of the results.In der VDI-Richtlinie 3789, Blatt 2, werden Verfahren zur Berechnung stündlicher Werte der Globalstrahlung auf beliebig orientierte Oberflächen vorgestellt. In der vorliegenden Studie werden diese Ansätze mit einer alternativen Kombination existierender Modelle für Teilschritte der Simulation verglichen, die in einem Programm namens METSUN implementiert wurden. Es wird gezeigt, dass sich Messwerte der Globalstrahlung und ihrer Komponenten mit METSUN besser reproduzieren lassen als mit den Ansätzen der VDI-Richtlinie.Die alternative Modellkombination ist außerdem flexibler verwendbar. Die VDI-Richtlinie setzt zwingend das Vorliegen von Beobachtungswerten des Bedeckungsgrades voraus. Mit METSUN dagegen können auch Informationsquellen genutzt werden, die Werte für die Globalstrahlung auf eine unbeschattete horizontale Fläche liefern, beispielsweise Messungen der Globalstrahlung an einer nahe gelegenen meteorologischen Station. Es wird gezeigt, dass sich die Genauigkeit der Simulationsergebnisse dadurch erhöhen kann.
Prof. Dr. Klaus Eckhardt,
Uwe Ulbrich
Berechtigungen: Peer Reviewed
Potential impacts of climate change on groundwater recharge and streamflow in a central European low mountain range (2003) Journal of Hydrology 284 (1-4), S. 244-252.
DOI: 10.1016/j.jhydrol.2003.08.005
General Circulation Models simulate significant changes of temperature and precipitation over Europe as part of the anthropogenic climate change. In this study, the impacts of climate change on groundwater recharge and streamflow in a central European low mountain range catchment are investigated using a conceptual eco-hydrologic model, a revised version of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT). To improve the reliability of our simulations, we compile plant physiological studies concerning the influence of elevated ambient CO2 concentrations on stomatal conductance and leaf area. Using this information to parameterise the model, we evaluate the impacts of two climate change scenarios, which represent a wide range of assumptions concerning future greenhouse gas emissions and climate sensitivity. The resulting effects on mean annual groundwater recharge and streamflow are small, as increased atmospheric CO2 levels reduce stomatal conductance thus counteracting increasing potential evapotranspiration induced by the temperature rise and decreasing precipitation. There are, however, more pronounced changes associated with the mean annual cycle of groundwater recharge and streamflow. Our results imply that due to the warming a smaller proportion of the winter precipitation will fall as snow. The spring snowmelt peak therefore is reduced while the flood risk in winter will probably increase. In summer, mean monthly groundwater recharge and streamflow are reduced by up to 50% potentially leading to problems concerning water quality, groundwater withdrawals and hydropower generation.
Lutz Breuer,
Prof. Dr. Klaus Eckhardt,
Hans-Georg Frede
Berechtigungen: Peer Reviewed
Plant parameter values for models in temperate climates (2003) Ecological Modelling 169 (2-3), S. 237-293.
DOI: 10.1016/S0304-3800(03)00274-6
Prof. Dr. Klaus Eckhardt,
Lutz Breuer,
Hans-Georg Frede
Berechtigungen: Peer Reviewed
Parameter uncertainty and the significance of simulated land use change effects (2003) Journal of Hydrology 273 (1-4), S. 164-176.
DOI: 10.1016/S0022-1694(02)00395-5
Uncertainty in parameters characterising different land covers leads to uncertainty in model predictions of land use change effects. In this study, a new approach is presented which allows a model to be assessed to see whether it is suitable for investigating land use change scenarios in the sense that different land covers can be significantly distinguished in their effects on model output. It consists of the following steps: (a) The uncertainty in land cover-dependent parameters is quantified. (b) The model of an artificial catchment with representative characteristics and uniform land cover is established. (c) Using this artificial catchment, Monte Carlo simulations are carried out to determine the uncertainty in the model response to different land covers. (d) By comparing the results for two covers, respectively, a dimensionless test statistic, the distinction level, is calculated. The distinction level is a normalised probability that two independent realisations of land covers which are parameterised within their range of natural uncertainty will yield distinct model responses. If the distinction level is greater than or equal to 90%, the land covers are assumed to have a significantly different effect on the model output. An example of the application of the new method is provided using the eco-hydrologic model SWAT-G. The land covers forest, pasture and arable land can be significantly distinguished by their long-term means of surface runoff, groundwater recharge and streamflow. The minimum proportion of the catchment area on which land cover must change in order to obtain significantly distinct model responses depends on the land covers involved and the considered hydrologic variable. In the case of a change between pasture and forest and with regard to average streamflow, this minimum proportion amounts to about 25%, a value that compares well with the results of paired catchment studies.
Prof. Dr. Klaus Eckhardt
Berechtigungen: Open Access
Berechtigungen: Peer Reviewed
Vergleich zweier Verfahren zur automatischen Modellkalibrierung (2002) Hydrologie und Wasserbewirtschaftung (HyWa) 46 (2), S. 69-73.
Die Kalibrierung eines Modells ermöglicht eine Reduzierung der Parameterunsicherheit und damit der Unsicherheit in Simulationsergebnissen. Komplexe Modelle können mittels stochastischer globaler Optimierungsalgorithmen automatisch kalibriert werden. Zwei dieser Algorithmen werden hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit miteinander verglichen: einerseits der Boender-Timmer-Rinooy Kan (BTRK) Algorithmus, ein Multistart-Algorithmus mit vorhergehender Clusterung, und andererseits der Shuffled Complex Evolution (SCE) Algorithmus, ein Genetischer Algorithmus. Die beiden Algorithmen werden auf ein analytisches verteiltes Modell zur Nachbildung des Wasser- und Stoffhaushalts in meso- bis makroskaligen Einzugsgebieten oberirdischer Gewässer angewendet, die Version SWAT-G des Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Der SCE Algorithmus erweist sich dem BTRK Algorithmus als überlegen. Es wird eine hohe Güte der Modellanpassung erreicht.
Zeitschriftenbeiträge
Prof. Dr. Klaus Eckhardt,
Klaus Bigalke
Ableitung von Zeitreihen meteorologischer Variablen auf Basis unterschiedlicher Ausgangsinformation (2005) Wasserwirtschaft 95 (5), S. 18-22.
Lutz Breuer,
M. Bach,
Hans-Georg Frede,
Prof. Dr. Klaus Eckhardt
Konzeption eines integrierten Modellsystems als Spatial Decision Support System für Wassereinzugsgebiete (2003) KA Korrespondenz Abwasser, Abfall (2), S. 189-194.
Bücher / Monografien
Prof. Dr. Klaus Eckhardt
Hydrologische Modellierung - Ein Einstieg mithilfe von Excel (2014) Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014 .
Im vorliegenden Buch werden zwei Typen hydrologischer Modelle vorgestellt, das Niederschlag-Abfluss-Modell und das Grundwasserströmungsmodell. Mit Niederschlag-Abfluss-Modellen (N-A-Modellen) wird nachgebildet, wie im Einzugsgebiet eines Oberflächengewässers aus Niederschlag Abfluss wird. Modelle dieses Typs werden unter anderem eingesetzt, um Hoch- und Niedrigwasserabflüsse vorherzusagen oder um zu beurteilen, wie sich anthropogene Eingriffe wie Landnutzungsänderungen oder Speicherbewirtschaftung auf den Abfluss auswirken. Grundwasserströmungsmodelle dienen unter anderem dazu, die Verfügbarkeit von Grundwasser zur Gewinnung von Brauch- und Trinkwasser zu untersuchen, Grundwasserabsenkungen zu planen oder hydraulische Sicherungs- und Sanierungsmaßnahmen für Altlasten zu konzipieren.
Prof. Dr. Klaus Eckhardt
Stochastik - Statistik und Wahrscheinlichkeitsrechnung in der Landwirtschaft (2013) Ulmer-Verlag (utb GmbH), Stuttgart .
Messungen an sämtlichen Elementen einer Grundgesamtheit durchzuführen ist in der Regel jedoch nicht möglich oder nicht sinnvoll, zum Beispiel weil die Anzahl der Objekte zu groß ist und daher der Zeit- und/oder Kostenaufwand zu hoch wäre oder weil die Objekte bei der Untersuchung beschädigt oder zerstört werden (wie im Fall der Eier). Man muss sich dann (sollte sich dann) damit begnügen, aus der Grundgesamtheit eine Teilmenge von Objekten, eine Stichprobe, zu entnehmen und nur diese zu analysieren. In diesem Fall ist die Information über die Ausprägung des Merkmals in der Grundgesamtheit unvollständig. Das Ergebnis der Analyse weist daher eine gewisse Unsicherheit auf. Es gibt nicht den einen gesicherten Wert des Merkmals; man kann lediglich Aussagen über Intervalle machen, in welche die Merkmalswerte mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit fallen.Statistik und Wahrscheinlichkeitsrechnung stehen daher in enger Verbindung. Die Wahrscheinlichkeitsrechnung dient außerdem beispielsweise dazu, Fragen der Genetik zu beantworten oder die Verlässlichkeit von Diagnose- und Prüfverfahren zu beschreiben.
Beiträge in Monografien, Sammelwerken, Schriftenreihen
Volker Wulfmeyer,
Prof. Dr. Klaus Eckhardt
Der globale und regionale Klimawandel (2007) landinfo 5 , S. 8-14.
Prof. Dr. Klaus Eckhardt
Abbildung heterogener Bodeninformation in verteilten hydrologischen Modellen (2004) Beitrag zum Forum für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 05.04 , S. 101-104.
Johan Alexander Huisman,
Lutz Breuer,
Prof. Dr. Klaus Eckhardt,
Hans-Georg Frede
Spatial Consistency of Automatically Calibrated SWAT Simulations in the Dill Catchment and Three of its Sub-Catchments (2003) Proceedings of the 2nd International SWAT Conference vom 01.-04. Juli in Bari (Italien), Texas Water Resources Institute (TWRI) Technical Report 266 , S. 168-173.
Lutz Breuer,
Prof. Dr. Klaus Eckhardt,
Hans-Georg Frede
Auswirkungen der Parameterunsicherheit verschiedener Landbedeckungen auf die Modellierung hydrologischer Komponenten sowie P-, N- und Sedimentfrachten (2003) Beitrag zum 6. Workshop zur großskaligen Modellierung in der Hydrologie, Kassel University Press , S. 93-104.
Nicola Fohrer,
S. Haverkamp,
Prof. Dr. Klaus Eckhardt,
Hans-Georg Frede
Policy induced land use changes and its effect on land degradation - A modelling approach (2002) Man and soil at the third millennium edited by J. L. Rubio, R. P. C. Morgan, S. Asins and V. Andreu, Geoforma Ediciones Vol. I, Logroño (España) , S. 257-265.
Prof. Dr. Klaus Eckhardt
Potenzielle Auswirkungen von Klimaänderungen in einem Einzugsgebiet des Rheinischen Schiefergebirges (2002) Forum für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 01.02, Beiträge zum Tag der Hydrologie 2002, 20. bis 22. März 2002 in Suderburg (Lüneburger Heide) , S. 107-113.
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