Unsere Forschungsschwerpunkte

• ob dies nach fundamentalen Organisationsprinzipien aus der Thermodynamik z.B. 'Maximum Entropy Production' (Zehe et al. 2010, Zehe et al. 2013) oder 'Maximum Power' geschieht (Kleidon et al. 2013),
• ob sich funktionelle Ähnlichkeit von Landschaftseinheiten mittels thermodynamischer Maße definieren und charakterisieren lässt (Zehe et al. 2014, Seibert et al. 2017),
• und wie funktionelle Ähnlichkeit für die hydrologische Modellierung genutzt werden kann (Loritz et al. 2018).

Mit Methoden aus der Informationstheorie, Machine Learning, Geostatistik und multivariaten Statistik untersuchen wir den Informationsgehalt von Messdaten und wie gut hydrologische Modelle diese Informationen nutzen. Auf dieser Basis entwickeln wir Methoden für die Optimierung von Messnetzen für Forschung und Praxis und Modellkonzepte, die Informationen aus lokalen Daten und globalem Wissen optimal kombinieren (Ehret et al. 2018, Loritz et al. 2018).
Ferner entwickeln wir innovative Messverfahren für hydrologische relevante Daten wie Niederschlag (Neuper et al. 2018), Schnee (Reusser and Zehe 2011) und Bodenwasserdynamik (Jackisch et al. 2017) sowie digitale Forschungsumgebungen für das Management und die Analyse von Wasser- und Umweltdaten (www.vforwater.de).

Die Entwicklung hydrologischer Modelle für Forschung und Praxis hat bei uns eine lange Tradition. Dies beinhaltet

• das physikalisch basierte Modell CATFLOW für den Wasser- und Stoffhaushalt von Hängen und kleinen Einzugsgebieten (Zehe et al. 2001),
• das in der wasserwirtschaftlichen Praxis weit verbreitete und sehr bewährte Flussgebietsmodell FGM (Plate et al. 1988),
• neue, objektorientiere Modellkonzepte basierend auf funktionellen Einheiten (van Pruijssen et al. 2018) oder Lagrange Modelle für Wasser und Stofftransport im Boden (Zehe and Jackisch 2016, Jackisch and Zehe 2018, Sternagel et al. 2019, 2021).

Entsprechend reicht das Anwendungsspektrum unsere Modelle von grundlegenden Untersuchungen zu Vorhersehbarkeit und Modellstruktursicherheit (Zehe and Blöschl 2004, Wienhöfer and Zehe 2014) über die Vorhersage des Pestizideintrags in Fließgewässer (Klaus and Zehe 2011) und der Simulation und Bemessung von Hochwasserschutzmaßnahmen (Ihringer 2016) bis zur Vorhersage des Wasserhaushalts für die Landwirtschaft in ariden Regionen (Jackisch et al. 2014). Eng angelehnt an die Modellierung entwickeln wir Modelldiagnostiken z.B. TIGER (Reusser et al. 2009) und FAST (Reusser and Zehe 2011) oder neue Metriken zum Vergleich von Zeitreihen (Seibert et al. 2016).

Biotische Kontrollen spielen eine Schlüsselrolle für den Wasser- und Stoffhaushalt und damit für die Umweltqualität: die Vegetation kontrolliert durch ihren Gasaustausch einen Großteil der terrestrischen Kohlenstoff- und Wasserbilanz, Wurzelbahnen und Kleintiergänge spielen eine Schlüsselrolle für den Schadstofftransport im Boden. Bakterien und Pilze leisten den Großteil des Abbaus von Schadstoffen in der Umwelt, sie können aber auch zu deren weiteren Belastung beitragen, indem beispielsweise Stickstoffdünger als klimaaktives Lachgas (N₂O) in die Atmosphäre gelangt (Köhler et al. 2012). Daher untersuchen wir den Einfluss von Regenwurmgängen und anderen präferentiellen Fließwegen auf die Verlagerung und den Abbau von Pflanzenschutzmitteln (Klaus et al. 2014) und das Zusammenspiel zwischen Vegetation, Transpiration und Wasserhaushalt (Hassler et al. 2018).