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Production of biomass feedstock for methanation in Europe has focused on silages of maize and cereals. As ecological awareness has increased in the last several years, more attention is being focused on perennial energy crops (PECs). Studies of specific PECs have shown that their cultivation may enhance agrobiodiversity and increase soil organic carbon stocks while simultaneously providing valuable feedstock for methanation. This study was designed to compare soil quality indicators under annual energy crops (AECs), PECs and permanent grassland (PGL) on the landscape level in south-western Germany. At a total 25 study sites, covering a wide range of parent materials, the cropping systems were found adjacent to each other. Stands were commercially managed, and PECs included different species such as the Cup Plant, Tall Wheatgrass, Giant Knotweed, Miscanthus, Virginia Mallow and Reed Canary Grass. Soil sampling was carried out for the upper 20 cm of soil. Several soil quality indicators, including soil organic carbon (Corg), soil microbial biomass (Cmic), and aggregate stability, showed that PECs were intermediate between AEC and PGL systems. At landscape level, mean Corg content for (on average) 6.1-year-old stands of PEC was 22.37 (±7.53) g kg1, compared to 19.23 (±8.08) and 32.08 (±10.11) for AEC and PGL. Cmic contents were higher in PECs (356 ± 241 lgCg1) compared to AECs (291 ± 145) but significantly lower than under PGL (753 ± 417). The aggregate stability increased by almost 65% in PECs compared to AEC but was still 57% lower than in PGL. Indicator differences among cropping systems were more pronounced when inherent differences in the parent material were accounted for in the comparisons. Overall, these results suggest that the cultivation of PECs has positive effects on soil quality indicators. Thus, PECs may offer potential to make the production of biomass feedstock more sustainable.
Ziel der Dissertation ist es, den Hochwasserschutz und das Management extremer Hoch-wasser für das Einzugsgebiet der Isar zu verbessern mit Hinblick darauf, wie sich vorhandene und neu zu schaffende Retentionsräume mit optimaler Wirkung für das gesamte Flusssystem einsetzen lassen. Dafür sind Kenntnisse über extreme Ereignisse und deren Auswirkung auf die betrachteten Einzugsgebiete notwendig. Großskalige Niederschläge in Mitteleuropa werden überwiegend durch Vb-artige Zugbahnen ausgelöst. Die Relevanz für Bayern zeigt die Auswertung des neuesten Kataloges der Vb-Zugbahnen für den Zeitraum 1959 bis 2015. In den Monaten April bis Oktober haben Vb-Zugbahnen zu ca. 30 % der beobachten Hochwasser beigetragen. Im Sommer führt sogar jedes zweite Vb-Tief zu Hochwasser. Im Donaueinzugsgebiet können 50 % der 20 größten Hochwasser direkt auf Vb-Zugbahnen zurückgeführt werden, weitere 25 % durch ähnliche Zugbahnen oder auf eine Vb aktiven Phase. Über die Hälfe der größten Hochwasser traten dabei in Bezug zu einer Serie von Vb-Tiefs auf. 60 % der Vb-Zugbahnen sind Teil einer Serie von Vb-Tiefs. Aus wiederkehrenden Niederschlägen persistenter Zugbahnen resultieren mehrgipflige Hochwasserwellen, die insbesondere für Rückhalteräume betrachtet werden müssen (DIN 19700). Die Detailuntersuchung erfolgt unter besonderer Beachtung der Untersuchungen zu den Vb-Zugbahnen. Das Isareinzugsgebiet mit 8900 km-² besitzt mit den Seen im Voralpenland große natürliche Retentionsräume und mit dem Sylvensteinspeicher im alpinen Einzugsgebiet den größten staatlichen Speicher Bayerns. Für die Wirkungsanalyse von gekoppelten Hoch-wasserrückhalteräumen in komplexen Einzugsgebieten müssen Ganglinien mit einem Nie-derschlag-Abfluss-Modell generiert werden, die den Wellenablauf des Hochwassers im ge-samten Einzugsgebiet repräsentieren. Die Dissertation analysiert, wie sich der Einsatz ver-schiedener Verfahren zur Vorgabe der Eingangsniederschläge auswirkt. Dabei liegt der Schwerpunkt der Untersuchung auf dem Niederschlagsverlauf. Es wird ein Verfahren zur Ableitung von Ganglinien aus standardisierten beobachteten Niederschlagsverläufen entwi-ckelt. Die Hochwasserganglinien, generiert aus synthetischen Niederschlagsverläufen der Bemessung, werden am Beispiel des Sylvensteinspeichers mit den drei größten abgelaufe-nen Hochwasserereignissen verglichen und diskutiert, ob mit dem neuen Verfahren die Cha-rakteristik der beobachten Hochwasser besser wiedergeben wird. Der Fokus liegt dabei auf der Wellenüberlagerung. Es kann für das ganze Gebiet gezeigt werden, dass die mit der neuen Methode standardisierten beobachteten Niederschlagsverläufe besser geeignet sind, die Wellenüberlagerung wiederzugeben, da zeitliche Unterschiede durch die Staueffekte an den Alpen berücksichtigt werden, wie sie bei Vb-Zugbahn geprägten Niederschlägen entste-hen. Es kann daher bei ähnlichen Fragestellungen empfohlen werden, diese Methode in der Praxis als Variante hinzuzuziehen, um die natürlichen Prozesse repräsentativer zu beschrei-ben. Für die Simulation mit dem N-A-Modell LARSIM werden die Unsicherheiten durch Varianten-rechnungen gezeigt. Es hat sich herausgestellt, dass nicht nur der Niederschlagsverlauf und die Vorbedingungen des Ereignisses eine große Auswirkung auf die Kalibrierung der Ab-flussbeiwerte im N-A-Modell haben, sondern auch das gewählte Flood-Routing-Verfahren und die Gerinnerauheit. Schließlich wird die Bewertung der potenziellen Standorte durchgeführt. Es wird berechnet, wo das Hochwasser zurückgehalten werden muss, um sowohl eine lokale Reduktion des Hochwasserscheitels, als auch gleichzeitig eine möglichst große Schutzwirkung für das Ge-samtsystem zu ermöglichen. Priorisiert werden Rückhaltestandorte, die praktisch umsetzbar sind und den größten Nutzen haben. Die Untersuchung einer Doppelwelle, die durch eine Serie von Vb-Zugbahnen entstehen kann, zeigt, wie die Einschätzung potenzieller Standorte verändern kann. Der alpine und zum Teil der voralpine Raum reagieren mit kurzen steilen Ganglinien und sind gegenüber Doppelwellen weniger sensitiv, weil kaum Wellenüberlagerung entsteht. Für den Sylvensteinspeicher, der im alpinen Raum liegt, können daher kurze Niederschlagspausen für eine schnelle Entlastung des Speicherraumes genutzt werden. Un-terhalb von Seen mit einem großen Retentionsvermögen erzeugen Doppelwellen aufgrund der langen Retentionsäste durch die Wellenüberlagerung deutlich höhere Abflüsse als Ein-zelwellen. Rückhalt an der oberen Isar ist unter diesen Kriterien am optimalsten. Empfohlene Maßnahmen - ohne Bauaufwand - konnten bereits umgesetzt werden und verbessern den Hochwasserschutz und das Hochwassermanagement an der Isar. Die Auswertungen zeigen, dass in den Monaten April, Mai, September und Oktober die Hochwasserereignisse in Folge von Vb-Zugbahnen im Zuge der Klimaveränderung häufiger und in den Sommermonaten extremer werden könnten.
Die organische Bodensubstanz (OBS) ist eine fundamentale Steuergröße aller biogeochemischen Prozesse und steht in engem Zusammenhang zu Kohlenstoffkreisläufen und globalem Klima. Die derzeitige Herausforderung der Ökosystemforschung ist die Identifizierung der für die Bodenqualität relevanten Bioindikatoren und deren Erfassung mit Methoden, die eine nachhaltige Nutzung der OBS in großem Maßstab überwachen und damit zu globalen Erderkundungsprogrammen beitragen können. Die fernerkundliche Technik der Vis-NIR Spektroskopie ist eine bewährte Methode für die Beurteilung und das Monitoring von Böden, wobei ihr Potential bezüglich der Erfassung biologischer und mikrobieller Bodenparameter bisher umstritten ist. Das Ziel der vorgestellten Arbeit war die quantitative und qualitative Untersuchung der OBS von Ackeroberböden mit unterschiedlichen Methoden und variierender raumzeitlicher Auflösung sowie die anschließende Bewertung des Potentials non-invasiver, spektroskopischer Methoden zur Erfassung ausgewählter Parameter dieser OBS. Dafür wurde zunächst eine umfassende lokale Datenbank aus chemischen, physikalischen und biologischen Bodenparametern und dazugehörigen Bodenspektren einer sehr heterogenen geologischen Region mit gemäßigten Klima im Südwesten Deutschlands erstellt. Auf dieser Grundlage wurde dann das Potential der Bodenspektroskopie zur Erfassung und Schätzung von Feld- und Geländedaten ausgewählter OBS Parameter untersucht. Zusätzlich wurde das Optimierungspotential der Vorhersagemodelle durch statistische Vorverarbeitung der spektralen Daten getestet. Die Güte der Vorhersagewahrscheinlichkeit gebräuchlicher fernerkundlicher Bodenparameter (OC, N) konnte für im Labor erhobene Hyperspektralmessungen durch statistische Optimierungstechniken wie Variablenselektion und Wavelet-Transformation verbessert werden. Ein zusätzliches Datenset mit mikrobiellen/labilen OBS Parametern und Felddaten wurde untersucht um zu beurteilen, ob Bodenspektren zur Vorhersage genutzt werden können. Hierzu wurden mikrobieller Kohlenstoff (MBC), gelöster organischer Kohlenstoff (DOC), heißwasserlöslicher Kohlenstoff (HWEC), Chlorophyll α (Chl α) und Phospholipid-Fettsäuren (PLFAs) herangezogen. Für MBC und DOC konnte abhängig von Tiefe und Jahreszeit eine mittlere Güte der Vorhersagewahrscheinlichkeit erreicht werden, wobei zwischen hohen und niedrigen Konzentration unterschieden werden konnte. Vorhersagen für OC und PLFAs (Gesamt-PLFA-Gehalt sowie die mikrobiellen Gruppen der Bakterien, Pilze und Algen) waren nicht möglich. Die beste Prognosewahrscheinlichkeit konnte für das Chlorophyll der Grünalgen an der Bodenoberfläche (0-1cm Bodentiefe) erzielt werden, welches durch Korrelation mit MBC vermutlich auch für dessen gute Vorhersagewahrscheinlichkeit verantwortlich war. Schätzungen des Gesamtgehaltes der OBS, abgeleitet durch OC, waren hingegen nicht möglich, was der hohen Dynamik der mikrobiellen OBS Parameter an der Bodenoberfläche zuzuschreiben ist. Das schränkt die Repräsentativität der spektralen Messung der Bodenoberfläche zeitlich ein. Die statistische Optimierungstechnik der Variablenselektion konnte für die Felddaten nur zu einer geringen Verbesserung der Vorhersagemodelle führen. Die Untersuchung zur Herkunft der organischen Bestandteile und ihrer Auswirkungen auf die Quantität und Qualität der OBS konnte die mikrobielle Nekromasse und die Gruppe der Bodenalgen als zwei mögliche weitere signifikante Quellen für die Entstehung und Beständigkeit der OBS identifizieren. Insgesamt wird der mikrobielle Beitrag zur OBS höher als gemeinhin angenommen eingestuft. Der Einfluss mikrobieller Bestandteile konnte für die OBS Menge, speziell in der mineralassoziierten Fraktion der OBS in Ackeroberböden, sowie für die OBS Qualität hinsichtlich der Korrelation von mikrobiellen Kohlenhydraten und OBS Stabilität gezeigt werden. Die genaue Quantifizierung dieser OBS Parameter und ihre Bedeutung für die OBS Dynamik sowie ihre Prognostizierbarkeit mittels spektroskopischer Methoden ist noch nicht vollständig geklärt. Für eine abschließende Beurteilung sind deshalb weitere Studien notwendig.
Mechanisch-biologisch behandelte Abfälle zeigen im Vergleich mit unbehandelten Siedlungsabfällen völlig veränderte geomechanische Eigenschaften auf. Das Emissionspotenzial ist weitgehend reduziert. Dies erforderte eine Anpassung der Deponietechnik bezüglich Materialeinbau und Deponiebetrieb. Um sowohl das Deponieverhalten der mechanisch-biologisch behandelten Abfälle sowie das verbleibende Emissionspotenzial beurteilen zu können, wurde in dieser Arbeit ein breit angelegtes Untersuchungsprogramm im Deponiefeld umgesetzt, welches zum Ziel hat, das Langzeitverhalten des mechanisch-biologisch behandelten Abfalls im Deponiefeld zu beschreiben. Hieraus wurden Empfehlungen für Deponiebetreiber abgeleitet, die eine langfristige Sicherung der gesetzlichen Anforderungen an das Ablagern von MBA-Material gewährleisten. Somit wird der Forderung nach einem nachhaltigen Schutz der Umwelt Rechnung getragen. Eine solche Sicherung ermöglicht einen langfristig ökonomisch und ökologisch tragbaren Deponiebetrieb und somit die nötige Planungssicherheit für Deponiebetreiber. rnDie bisherigen Erfahrungen haben gezeigt, dass MBA-Deponien unter den beschriebenen Bedingungen ohne größere Probleme betrieben werden können. Durch die mechanisch-biologische Behandlung wurde jedoch der gesamte Bereich der Ablagerung neu definiert. rnSchwerpunkt des Untersuchungsprogramms war die Untersuchung der Temperatur- und Feuchtigkeitsentwicklung im Deponiekörper, der daraus resultierenden Auswirkungen auf die Zusammensetzung und Menge des Deponiegases sowie die Beurteilung der geotechnischen Erfordernisse an das abzulagernde Material und das Deponiefeld. Hierbei stand die Untersuchung von Porenwasserdrücken im Vordergrund. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Temperaturniveaus im Deponiekörper mit ca. 16-25-°C etwas unter den von DSR lagen. Die Deponiegaszusammensetzung weicht ebenfalls etwas von den Ergebnissen aus DSR ab. Die Deponiegasmenge liegt im erwarteten Bereich und lässt Rückschlüsse auf das Gasphasenmodell zu. An den Zuordnungskriterien konnten keine wesentlichen Veränderungen oder Abbauraten bezogen auf das Ursprungsmaterial beobachtet werden. Die Anforderungen an den Einbau von mechanisch-biologisch behandelten Abfällen sollten weiterhin unter der Maßgabe: verdichteter Dünnschichteinbau, Profilierung mit 5-10% Gefälle, Einbauwassergehalt 30-35 %, geringstmögliche Einbaufläche und einer arbeitstägigen Abdeckung des Deponiefeldes mit wasserundurchlässigem Material in regenintensiven Monaten und im Winter erfolgen. Ein Deponiebetrieb nach den Vorgaben des Anhanges 5, Nr. 6 der Deponieverord-nung, nach dem ein Deponiebetreiber den Anfall von Sickerwasser so gering zu halten hat, wie dies nach dem Stand der Technik möglich ist, ist somit umsetzbar. Aufgrund der geringen Sickerwassermengen und des verdichteten Materialeinbaus stellt der Deponiekörper mit MBA-Material kein umweltrelevantes Gefährdungspotenzial bezogen auf die Deponiegasemissionen dar, insofern nach Abschluss des Deponiekörpers eine Methanoxidationsschicht als Oberflächenabdichtung aufgebracht wird.
Seit 2005 wird auf der Deponie Muertendall (Luxemburg) der Wasserhaushalt einer Oberflächenabdeckung anhand eines Testfeldes untersucht. Die Deponie wurde 1979 in Betrieb genommen. 1991 wurde sie erstmals geschlossen, da ihre Kapazität ausgeschöpft war. Anschließend wurde die Deponie saniert und mit einer Basisabdichtung ausgestattet. Der sanierte Altmüllkörper wurde mit einer 80 cm starken Oberflächenabdeckung versehen. In diesem Bereich der Deponie wurde 2005 ein Testfeld angelegt, um den Wasserhaushalt der Abdeckung zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit ist es den Wasserhaushalt der derzeitigen Abdeckung zu bilanzieren und ihre Wasserdurchlässigkeit zu beurteilen. Die Auswertung der Daten zeigt, dass zwischen 30 und 66% des Niederschlages jährlich unterhalb der Abdeckung als Drainageabfluss auftreten. Deutlich zu erkennen ist eine jahreszeitliche Abhängigkeit mit höheren Abflüssen im Winter. Der auftretende Oberflächenabfluss ist vernachlässigbar. In Hinblick auf die Wasserdurchlässigkeit ist die auf der Deponie bestehende Abdeckung nicht geeignet um die Sickerwassermengen deutlich zu minimieren. Da der Wasserhaushalt von Oberflächenabdeckungen die biologischen Abbauprozesse im Deponiekörper maßgeblich beeinflusst, wurden auf der Deponie ebenfalls Untersuchungen am Altmüllkörper durchgeführt, um Rückschlüsse auf den Fortschritt der biologischen Abbauprozesse zu gewinnen. Die ermittelten Wassergehalte im Deponiekörper liegen bei nur 33 Gew. % und sind somit nicht optimal für die biologischen Abbauprozesse. Der untersuchte Altmüll besteht zum Großteil nur noch aus der Fraktion <20 mm als Resultat der biologischen Abbauprozesse. Der übrige Teil besteht größtenteils aus Stoffgruppen, die nur noch schwer biologisch abbaubar sind. Weitere chemisch- physikalische Untersuchungen zeigen, dass im Altmüll immer noch Organik vorhanden ist, die aber durch die biologischen Abbauprozesse nur noch schwer abgebaut werden kann. Aus den gewonnen Ergebnissen werden Vorschläge für die endgültige Abdeckung der Deponie Muertendall gemacht.
Die Arbeit untersucht das Potential kleiner unbemannter Luftfahrtsysteme (UAS) in Landwirtschaft und Archäologie. Der Begriff UAS beinhaltet dabei: Fluggerät, Antriebsmechanismus, Sensorik, Bodenstation, Kommunikationsmittel zwischen Bodenstation und Fluggerät und weiteres Equipment. Aufgrund ihrer Flexibilität, fanden UAS seit der Jahrtausendwende eine blühende Entwicklung. Um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren, muss die landwirtschaftliche Produktion sensibel und nachhaltig intensiviert werden, um Nahrungssicherheit für alle zu gewährleisten und weitere Boden- und Landdegradation zu vermeiden. Präzisionslandwirtschaft umfasst technologische Verbesserungen hin zur effizienteren und weniger schädlichen landwirtschaftlichen Praxis. Hierbei ist die Verfügung über zeitnahe, leicht zugängliche hoch aufgelöste räumliche Daten eine Voraussetzung für die Nahrungsmittelproduktion. UAS schließen hier die Lücke zwischen Bodendaten und teuren bemannten Luftfahrtsysteme und selteneren Satellitenbildern. Die Vorteile der UAS-Daten liegen in der ad-hoc Akquisition großmaßstäbiger Fernerkundungsdaten, den geringeren Kosten gegenüber der bemannten Systeme und einer relativen Wetterunabhängigkeit, da auch unter Wolken geflogen werden kann. Den größten Anteil innerhalb der UAS stellen die Mini-UAS (Abfluggewicht von 5kg) und dabei vertikale Start- und Landesysteme. Diese können über Untersuchungsgebieten schweben, sind dadurch jedoch langsamer und eher geeignet für kleinere Flächen. Flugregularien und die Integration in den bemannten Luftraum werden derzeit europaweit harmonisiert und in den Mitgliedstaaten umgesetzt. Die Hauptziele dieser Arbeit lagen in der Evaluierung wie Schlüsselparametern landwirtschaftlicher Nutzpflanzen (Chlorophyll-, Stickstoffgehalt, Erntemenge, sonnendinduzierter Chlorophyll-Fluoreszenz) mittels UAS abgeleitet und wie UAS-Daten für archäologische Aufklärung genutzt werden können. Dazu wurde ein Quadrokopter (md4-1000, microdrones GmbH) mit einer digitalen Spiegelreflexkamera, einem Multispektralsensor (MiniMCA-6, Tetracam Inc.) und einer Thermalkamera (UCM, Zeiss) ausgestattet. Eine Sensitivitätsanalyse führte zur Ableitung geeigneter Wellenlängenbereiche und untersuchte bidirektionale und Flughöheneffekte auf das Multispektralsignal. Die Studie beschreibt außerdem die Vorgehensweise bei Bildaufnahme und Vorprozessierung mit besonderem Schwerpunkt auf die Multispektralkamera (530-900 nm). Die Vorprozessierung beinhaltet die Korrektur von Sensorfehlern (Linsenverzeichnung, Vignettierung, Kanalkalibrierung), die radiometrische Kalibrierung über eine empirische Korrektur mit Hilfe von Referenzspektren, Atmosphärenkorrektur und schließlich die geometrische Verarbeitung unter Verwendung von Structure from Motion Programme zur Generierung von Punktwolkenmodellen bis hin zum digitalen Orthophotomosaik und Höhenmodell in Zentimeterauflösung. In einer Weinbergsstudie (2011, 2012) wurden geeignete Beobachtungswinkel für die Untersuchung des Einflusses von Bodenbearbeitungsstrategien auf das Multispektralsignal evaluiert. Schrägichtaufnahmen von 45-° Beobachtungswinkel gegenüber Nadir waren am besten geeignet zur Ableitung pflanzenphysiolgischer Parameter und multispektraler Unterscheidung von Bodenbearbeitungstypen. So konnten Chlorophyll-Gehalte über Regressionsanalysen über mehrere saisonale Aufnahmen mit einem kreuzvalidierten R-² von 0.65, Stickstoffgehaltsindex von 0.76 (2012) und Ernte mit 0.84 (2011) und für verschiedene Zeitpunkte nach der Blüte (0.87) und während der Reifephase (0.73) ermittelt werden. Desweiteren wurde die (Fs) in einem Stickstoff-Düngung-Experiment bei Zuckerrüben von Multispektral-, Indizes und Thermaldaten untersucht (HyFlex-Kampagne 2012). Zuckerrübenvarietäten konnten spektral und thermal unterschieden werden, die Fluoreszenzindizes waren wetterbedingt, weniger erfolgreich. Außerdem konnte der Tagesgang der Fs trotz instabiler Einstrahlungsverhältnisse am Morgen abgeleitet werden. Die Werte waren jedoch gegenüber Bodenmessungen um ein Vielfaches erhöht. Archäologische Fernerkundung durch UAS wird bereits seit Jahren (z.B. mit Fesselballons) durchgeführt. Die Mustererkennung profitiert von der spektralen Ausdehnung vom menschlichen Auge hin zu multispektralen, neuerdings auch hyperspektralen Sensoren. Studien in Los Bañales, Spanien, zeigten die Möglichkeiten des Informationsgewinns durch Bildverarbeitung von UAS-Daten: vermutliche historische Siedlungsmuster konnten durch Landoberflächenklassifikation von Multispektraldaten mittels Support Vector Machines und Bestandsmusterdetektion beschrieben werden. Um qualitative hochwertige, hochaufgelöste UAS-Daten zu erhalten, sollten die Daten mit hoher Überlappung (80%) und auch Schrägsicht akquiriert und ggf. durch Referenzmessungen zur radiometrischen Kalibrierung und GPS-Messungen für geometrische Referenzierung ergänzt werden.
Die zukünftige Landwirtschaft steht vor großen Herausforderungen: Zum einen sollen mit knapper werdenden Ressource wie Wasser und Boden mehr Menschen ernährt, die Wirtschaftlichkeit gesteigert und Pflanzen zur Energiegewinnung sowie für die Industrie erzeugt werden. Zum anderen sollen Umweltbelastungen deutlich verringert werden, damit die Landwirtschaft nicht ihre eigene Grundlage zerstört und Anpassungsstrategien für das zukünftige Klima gefunden werden. Die Erstellung eines Modells, mit deren Hilfe die Auswirkungen von Klimavariabilität, Standortbedingung, verschiedenartiger Kultivierung, Umwelteinflüsse und nachhaltigem Wirtschaften auf das Pflanzenwachstum simuliert werden können, also eine ökonomisch-ökologischen Bewertung vorgenommen werden kann, ist daher das Hauptziel vorliegender Dissertation. Zur Erlangung dieses Ziels sollte ein ökologisches (STICS) und ein ökonomische Modell (Produktionsfunktion) miteinander gekoppelt werden. Eine Sensitivitätsanalyse des Pflanzenwachstumsmodells STICS verdeutlicht, dass dieses Modell geeignet ist den Einfluss unterschiedlicher Bewirtschaftungsmethoden und Klimakenngrößen auf das Pflanzenwachstum bzw. den Ertrag sowie die Bodenfruchtbarkeit, z.B. über die Nitratauswaschung, realitätsnah abzubilden. Die Voraussetzung dafür ergibt sich auch aus dem Verwenden des statistischen Klimamodells WETTREG 2010, welches hochaufgelöste Klimadaten, die in Anzahl der Klimaelemente und zeitlicher Auflösung der Messreihen von Klimastationen gleichen, liefert. Die natürliche Variabilität des Klimas wird damit gut widergeben und Aussagen über zukünftiges Wachstum und Pflanzenentwicklung sowie Auswirkungen von Extremwetterlagen berechenbar. Die Ergebnisse des Pflanzenwachstumsmodells dienen als Grundlage einer Produktionsfunktion des Cobb-Douglas-Typs. Der graphische Zusammenhang, die Verteilung der Produktionsfaktoren und die Regressionsergebnisse zeigen allerdings, dass eine einfache lineare Regression zur Bestimmung der Funktion auf Mittel- und Summenwertbasis zu schlechten Ergebnissen, insbesondere hinsichtlich der Anpassung an Extremereignisse, führt. Die Klimafaktoren Niederschlag bzw. Wasser und Temperatur, aber auch die Nachhaltigkeit im Sinne der Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit können in der Funktion nicht eindeutig bestimmt werden. Anhand von Simulationen mit künstlichen Klimadaten, d.h. stetig steigenden Temperaturen und immer gleicher Verteilung des Niederschlags (gute und schlechte Verteilung), konnten die Fehlerquellen herauskristallisiert und die fehlenden Faktoren in der Produktionsfunktion gefunden werden. Ein Lösungsansatz ist das Einbeziehen von Stressindizes für Wasser- und Stickstoffmangel, welche die zeitliche Verteilung von Niederschlag und Temperatur bzw. deren Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum darstellen. Zudem ist über den Stickstoffstress die Verfügbarkeit von Nitrat für die Pflanze ableitbar und kann in der Produktionsfunktion miteinbezogen werden. Die Ergebnisse der Regression mit Berücksichtigung der Wasser- und Stickstoffstressindizes zeigen deutlich bessere Ergebnisse. Die Variabilität kann deutlich erhöht und die zeitliche Verteilung von Niederschlag und Temperatur sowie die Bodenfruchtbarkeit berücksichtigt werden. Allerdings ist die Anpassung gerade in den extremen Bereichen (überdurchschnittlich niedrige oder hohe Ernten) zu systematisch. Das Pflanzenwachstumsmodell wird demnach nicht durch eine einfache Produktionsfunktion ersetzbar, da es wichtige Informationen zu Ertrag, Einfluss der Klimavariabilität auf den Ertrag, Umwelteinflüssen, wie Stickstoffaustrag, oder Stressindizes liefert. Vielmehr wird erst durch Verwendung des Pflanzenwachstumsmodells die direkte Abhängigkeit zwischen Bewirtschaftung, Ertrag und Nachhaltigkeit im Sinne der Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit bzw. der Vermeidung hoher Nitratauswaschung deutlich. Eine nicht angepasste Bewirtschaftung, z.B. Überdüngung und/oder hohe Bewässerung, führt sowohl zu mehr Nitrataustrag als auch zu niedrigerem Ertrag sowie höheren Kosten. Deutlich wird die Unersetzbarkeit des Pflanzenwachstumsmodells durch eine einfache Kostenanalyse. Hierbei konnte die Unrentabilität sehr intensiver Bewirtschaftung und Rentabilität einer zusätzlichen Bewässerung nur unter Berücksichtigung der Nitratauswaschung und klimatischer Gegebenheiten herausgestellt werden. Erst durch das Zusammenspiel von ökologischem und ökonomischem Modell werden die Auswirkungen von Klimavariabilität, Standortbedingung, verschiedenartiger Kultivierung und nachhaltigem Wirtschaften auf das Pflanzenwachstum berechenbar. Eine ökologisch-ökonomische Bewertung, wie die Beurteilung von Auswirkungen bestimmter Klimaelemente (Wasser, Temperatur) auf Pflanzenwachstum und Ertrag, Adaptionsstrategien, effizienter und ressourcenschonender Bewirtschaftung, Rentabilität, Umweltbelastung oder Nachhaltigkeit wird damit letztendlich möglich.
In Mitteleuropa steigt der Anteil befestigter und damit zumeist undurchlässiger Oberflächen durch Flächenerschließung und Urbanisierung stetig. Die Verdichtung und Befestigung natürlicher Oberflächen und das einhergehende Sammeln und Abführen des Niederschlagswassers vergrößert nicht nur den Oberflächenabfluss, sondern reduziert auch die Grundwasserneubildung. Das an Regenwettertagen anfallende Oberflächenwasser von befestigten Flächen wird zwar in den Kanalnetzen gesammelt, kann jedoch nicht vollständig zur Kläranlage abgeführt werden. Das überschüssige Wasser im Kanalsystem wird dann an neuralgischen Punkten dem nächstgelegenen Gewässer zugeleitet. Auf diese Weise gelangt eine große Bandbreite an Substanzen in die Gewässer und beeinflusst den natürlichen Stoffhaushalt. Häufig sind kleine und mesoskalige Gewässersysteme in Ballungsräumen mit einem hohen Versiegelungsgrad betroffen. Neben der schadlosen Ableitung des Ereignisabflusses tritt im Zuge der Umsetzung der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL, 2000/60/EG) das Ziel des guten ökologischen und chemischen Zustandes des Gewässers in den Vordergrund. Mit Blick auf die Reduktion von angereichertem und vermischtem Niederschlagswasser in den Gewässern ist das Niederschlagswassermanagement das wichtigste Instrument. Die vorliegende Arbeit betrachtet beispielhaft zwei mesoskalige, urban geprägte Gewässer in der Großregion Luxemburg-Trier, die luxemburgische Mess und den deutschen Olewiger Bach. Dabei werden ebenfalls zwei unmittelbar durch Trenn- und Mischwasserkanalisation beeinflusste Teileinzugsgebiete des Olewiger Bachs untersucht. Ziel ist es, die Auswirkungen der urbanen Einleitungen an Regenwettertagen in den verschiedenen Phasen der Hochwasserwelle (Anstieg, Plateau und Rezessionsast) zu analysieren. Ein Schwerpunkt wird dabei auf den Nachweis anthropogener Spurenstoffe sowie wiederkehrende Strukturen im Wellenverlauf gelegt. Die Untersuchung der urban geprägten Bäche erfolgt mit zeitlich hochaufgelösten Einzelstichproben. Im Gegensatz zur gängigen Beprobung mittels volumen-proportionaler Mischproben kann mit diesem Ansatz der Einfluss der anthropogenen Systeme auf Hydro- und Chemographen im Hochwasserereignis analysiert werden. Auch Stoßbelastungen werden besser erfasst und abgebildet. In allen Untersuchungsgebieten werden in jeder Hochwasserwelle anthropogene Spurenstoffe nachgewiesen. Die Konzentrationen variieren sowohl während eines Hochwasserereignisses, als auch im Vergleich zwischen Ereignissen erheblich. Die nachgewiesenen Maximalkonzentrationen in Mess und Olewiger Bach übersteigen die mittleren Gehalte der einzelnen Spurenstoffe um das zwei bis 30-fache. Einige Pestizidgehalte in der Mess überschreiten zudem zeitweise die Grenzwerte der Umweltqualitätsnormen Richtlinie (UQN, 2008/105/EG). Die größten stofflichen Belastungen in Form maximaler Spurenstoffgehalte treten in der Regel bei mäßigen Niederschlagsereignissen in Kombination mit geringem Basisabfluss im Gewässer auf. Die Gesamtfracht hingegen steigt meist mit der Ereignisfülle. Die hydraulischen und stoffrelevanten Auswirkungen an der Schnittstelle von Kanal und Gewässer lassen sich in vielen urban geprägten Bächen wiederfinden. Diese Einleitungen an Regenwettertagen sind bedeutsam für die Komplexität des Abflussverhaltens sowie die Chemodynamik der betroffenen Vorfluter. Die Ergebnisse zeigen, dass es zukünftig mit Blick auf ein erfolgreiches Einzugsgebietsmanagement notwendig ist, die Niederschlagswasserbewirtschaftung in die Maßnahmenplanung einzubeziehen. Bei urbanen Gewässern muss darauf geachtet werden, dass die Maßnahmen zur Verbesserung des chemischen und ökologischen Zustandes nach der WRRL nicht im Konflikt mit der schadlosen Ableitung des Niederschlagswassers stehen. Vor allem hinsichtlich der stofflichen Dynamik, welche in der Regel mittels volumenproportionaler Mischproben untersucht wird, besteht weiterer Forschungsbedarf.
Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung der aktuellen Geomorphodynamik in den Gullyeinzugsgebieten der Souss-Ebene, Südmarokko. Eine Sonderstellung nehmen besonders in der Taroudant-Region die durch land-levelling Maßnahmen beeinflussten Flächen ein. Anhand von experimentellen Feldmethoden werden verschiedene Prozesse der Bodenerosion aufgenommen und bewertet. Mittels Luftbildmonitoring mit einer Drohne erfolgt eine Analyse des Gullywachstums. Durch eine Zusammenführung der Methodenkombination kann ein Gesamtbild der aktuellen geomorphologischen Prozessdynamik im Souss erstellt werden. Mit Zerfall der Zuckerindustrie Ende des 17. Jahrhunderts setzt im Souss Becken aufgrund der nahezu vollständigen Abholzung der Arganwälder die lineare Bodenerosion ein. Mit der Transformation von traditioneller Landwirtschaft zu modernen Zitrusfrucht- und Gemüseplantagen, beginnt Anfang der 1960er Jahre ein sehr dynamischer Landnutzungswandel. Die Expansion der Anbauflächen, die von Wadi- und Gullysystemen tief zerschnittenen sind, wird durch Planierungsmaßnahmen vorangetrieben. Auf den planierten Flächen entwickeln sich durch die Verdichtung des Bodens, das Entfernen von Vegetationsbedeckung sowie Krustenbildung auf dem schluffig-lehmigen Substrat bei Starkniederschlagsereignissen zumeist erneut Gullys. Die rasche lineare Zerschneidung bedroht weitere Anbauflächen. Eine nachhaltige Entwicklung auf diesen Flächen ist daher fraglich. Durch starke Verschlämmung nach Niederschlägen bilden sich auf den planierten Flächen sehr schnell physikalische Bodenkrusten aus. Ihre Mikromorphologie ist aufgrund der Belastungen mit schwerem Gerät sowie mehrfacher Erosions- und Akkumulationszyklen durch Plattenstruktur und Vesikel geprägt, wodurch die Infiltrationskapazität des Bodens verringert wird. Diese Auswirkungen können durch Messungen mit dem Einringinfiltrometer bestätigt werden. Sie zeigen auf ungestörten Flächen durchschnittlich eine 2,6-fach höhere Infiltrationsrate als auf planierten Flächen. Durch eine Inventarisierung der Bodeneigenschaften und Oberflächencharakteristika kann ihre signifikante Veränderung nach Planierungsmaßnahmen identifiziert werden. So zeigen planierte Flächen hohe Anteile an Bodenverkrustung und wenig Vegetationsbedeckung auf. Ungestörte Flächen sind dagegen weniger verkrustet und stärker mit Vegetation bedeckt. Zudem kann eine Kompaktion der oberen Bodenschicht nachgewiesen werden. Diese Faktoren wirken auf die Oberflächenabflussbildung und den Sedimentabtrag ein. Die Ergebnisse von 122 Niederschlagssimulationen mit einer Kleinberegnungsanlage zeigen einen signifikanten Anstieg der mittleren Oberflächenabflüsse und Sedimentfrachten (1,4-, bzw. 3,5-mal höher) auf planierten im Gegensatz zu ungestörten Testflächen. Mithilfe des Gullymonitorings wird die Entwicklung eines kompletten Gullys durch Starkniederschlagsereignisse auf einer planierten Fläche detektiert. Dabei wird in einem 3,5 ha großen Einzugsgebiet etwa 1080 t Bodenmaterial erodiert. Hier wurde errechnet, dass Gullyerosion für 91 % des gesamten Bodenverlustes im Einzugsgebiet verantwortlich ist. Die Fläche dient nur als Lieferant des Erosionsagens Wasser. Das Verfüllen des ursprünglichen Gullysystems mit Material der umliegenden Hänge führt zu einer Erniedrigung der Geländehöhe von durchschnittlich über 5 cm. Auf ungestörten Flächen wird dagegen nur ein geringes Gullywachstum verzeichnet. Die vorgestellte Methodenkombination lässt eine gezielte Beschreibung der aktuellen Geomorphodynamik in den Einzugsgebieten der Souss-Ebene zu. Durch die land-levelling Maßnahmen wird die Prozessdynamik signifikant erhöht. Eine Verminderung der Vegetationsbedeckung, schnelle Krustenbildung sowie Bodenkompaktion unterstützen hohe Oberflächenabflussbildung und Sedimentabtrag. Durch lineare Konzentration des Abflusses wird rapide Gullyerosion gefördert. Ganze Gullysysteme können sich auf Planierungsflächen durch nur ein einziges Starkniederschlagsereignis ausbilden. Dadurch sind Anbauflächen, Gebäude und Infrastruktur gefährdet.
In der Dissertation "Kartographische Medien zur Entscheidungsunterstützung: empirische Untersuchungen georäumlicher Visualisierungen im Rahmen des Trierer Kommunalhaushalts" werden kartographische Medien im Hinblick auf die Funktion der Entscheidungsunterstützung bei der Aufstellung eines Kommunalhaushalts untersucht. Die Akteure der Haushaltsaufstellung können in drei Gruppen aufgeteilt werden: Bürger, Politiker und Verwaltungsmitarbeiter. Die grundlegende Fragestellung der Arbeit lautet: Wie muss ein räumliches Finanzauskunftssystem gestaltet sein, um die Beteiligten in verschiedenen Phasen des Entscheidungsprozesses bestmöglich zu unterstützen? Ziel ist dabei die modellhafte Entwicklung eines nutzerorientierten kommunalen Finanzauskunftssystems. Zur Erstellung der kartographischen Medien werden zunächst die Ausgaben des Trierer Kommunalhaushalts georeferenziert und mit Hilfe von Karten visualisiert. Die Georeferenzierung erfolgt dabei über die theoretische Herleitung der Raumwirkung einzelner Haushaltspositionen, die vom Grundsatz her sehr kleinräumig, gesamtstädtisch oder auch regional wirken können. Theoretisch lassen sich 79% der Ausgabepositionen des Finanzhaushalts und 45% der Ausgabepositionen des Ergebnishaushalts 2009 räumlich verorten. Einschränkungen der Georeferenzierungsquote ergeben sich aus der Datenverfügbarkeit der Stadtverwaltung Trier. Die erzeugten Kartendarstellungen unterscheiden sich im Hinblick auf die Komplexität der dargestellten Inhalte. Zum Einsatz kommen verschiedene kartographische Modellformen sowie unterschiedliche Darstellungsformen der Legende (verbal und numerisch). Der Studie besteht aus zwei empirischen Untersuchungsreihen: einer Online-Befragung und einem Bildschirmexperiment mit eye tracking und Logfile-Aufzeichnung. Diese haben gezeigt, dass die Unterschiede zwischen den drei Akteursgruppen nicht entscheidend sind. Die generelle Haltung der Probanden zur Relevanz des Raumbezugs ist vielmehr ausschlaggebend dafür, ob das Medium Karte positiv angenommen wird oder nicht. Während die Relevanz des Kriteriums "Raum" bei Entscheidungen nachgewiesen wurde, bleibt die Frage nach dessen Gewichtung innerhalb diverser Einflussgrößen kommunal-politischer Entscheidungen offen. Kartographische Medien können eine sinnvolle Unterstützung im Entscheidungsprozess darstellen, bedürfen jedoch je nach Art der Fragestellung und dementsprechend vom Nutzer durchzuführenden räumlichen Operationen einer Kombination mit Texten und/oder Tabellen. Der Bedarf an Nutzerunterstützung steigt mit der Komplexität der räumlichen Operationen: das Bilden von Mustern ist für die Nutzer mit erheblich mehr Blickaufwand verbunden als das Identifizieren von Werten in der Karte. Generell stellt die Komplexität des Informationsgehalts für die Probanden keinen Hinderungsgrund dar, mit kartographischen Medien zu arbeiten. Vielmehr müssen sich die dargestellten Inhalte an den Interessen der Akteure orientieren. Beim Betrachten der Kartendarstellungen spielen Erfahrungen im Georaum eine wesentliche Rolle. Die Untersuchung konnte zeigen, dass das Raumwissen der Probanden jedoch oft mangelhaft ist. Kartographische Medien können dabei helfen, das Raumwissen auch in Bezug auf die Verteilung von Merkmalen im Raum zu steigern. Die Probanden steuerten in der empirischen Erhebung viele Anregungen zur Gestaltung eines interaktiven Systems bei, die darauf hinweisen, dass eine nutzerorientierte Systemgestaltung zwingend erforderlich ist, wenn möglichst viele Akteure von einem kommunalen Finanzauskunftssystem profitieren sollen.
Die Notwendigkeit einer ökologischen Aufwertung kleiner urbaner Gewässer und damit einer effektiven Siedlungswasserwirtschaft ist in den Fokus gerückt und wurde zum Bestandteil der Wasserrahmenrichtlinie ( 2000/60/EG). Die Zunahme von Regenwassermanagementsystemen und die Renaturierung kanalisierter Gewässerabschnitte führt zu einer Integration von Flüssen und Bächen in das städtische Umfeld. Diese Arbeit fokussiert die zeitlich hochaufgelöste Analyse des Stofftransports während Abflussereignissen in mesoskaligen Einzugsgebieten. Es wird untersucht, ob die Landnutzung und die Entwässerungssysteme von Siedlungsflächen, die Abflusssdynamik und die Stoffkonzentrationen beeinflussen. Beleuchtet wird, inwieweit naturnahe Regenwassermanagementsysteme in Siedlungsgebieten den natürlichen Wasserhaushalt erhalten und eine Gewässerbelastung reduzieren. Untersucht werden die Schadstoffdynamiken und -frachten dreier verschiedener Einzugsgebiete, ähnlich hinsichtlich Einzugsgebietsgröße, Topographie und klimatischen Bedingungen, aber unterschiedlich in Landnutzung und Entwässerungssystemen. Darüber hinaus wird der Einfluss der Ableitungsart des Regenwassers aus den Siedlungsgebieten auf die Abflussdynamik und die Schadstoffverlagerung auf unterschiedlichen Skalen untersucht. Abflussganglinien und Chemographen aller Gewässer zeigen große Schwankungen während und zwischen Hochwasserereignissen. Kurzfristige Konzentrationen sind sehr hoch und können nur mittels zeitlich hochaufgelöster Beprobung bestimmt werden. Frachten und mittlere Ereigniskonzentrationen weisen eine hohe Variabilität in Abhängigkeit von vorangehenden hydro-klimatischen Bedingungen auf. Erhöhte Schadstoffkonzentrationen treten in einem ländlich geprägten Einzugsgebiet in Verbindung mit Regenfällen durch Remobilisierung von Schadstoffen aus der Kanalisation auf. In einem städtisch geprägten Vorfluter sind Schadstoffbelastungen mit dem Basisabfluss aufgrund sanitärer Fehlanschlüsse und Kläranlageneinleitungen das ganze Jahr über bedeutsam. Ein biologischer Test zur Bestimmung östrogener Aktivität zeigt, dass die Toxizität von der Kläranlagentechnologie und deren Elimination östrogener Wirkstoffe abhängt. Saisonale Effekte, durch steigende östrogene Aktivität im Sommer und abnehmende Aktivität im Winter aufgrund der Verdünnung durch Boden- und Grundwasser, konnten beobachtet werden. Dezentrale Regenrückhalte führen zum Erhalt des quasi-natürlichen Wasserhaushaltes und zur Dämpfung von Abflussspitzen im Vorfluter. Die Beprobung der Zuläufe und des Ablaufes einer Retentionsfläche zeigt die Reduktion der Maximalkonzentrationen sowie der jährlichen Frachten von Xenobiotika. Mit zunehmender Einzugsgebietsgröße nimmt die Anzahl und Diversität der Entwässerungssysteme zu. Die Skalenabhängigkeit der Gewässerbelastung ergibt sich aus dem Vorhandensein und Zusammenwirken von Misch- und Trennkanalisationen, sowie Regenwassermanagementsysteme, und Kläranlageneinläufen. Vor allem Mischwasserkanalüberläufe führen zu einer hydraulischen Belastung sowie zu hohen Momentankonzentrationen der Xenobiotika. Regenwassermanagementsysteme tragen zu einer deutlichen Reduktion der chemischen und hydraulischen Belastung des Gewässers bei. Dies führt zu einer Entlastung der Vorfluter und zu einem besseren ökologischen Zustand, wie durch die Wasserrahmenrichtlinie gefordert.
Der Aufbau einer Klassifikation von Einzugsgebieten (EZG) auf Basis des Abflussverhaltens und der Gebietseigenschaften sowie die Regionalisierung von Abflussparametern sind Kernthemen der Hydrologie. Die Ziele dieser Arbeit sind der Aufbau einer Klassifikation für EZGs mit hoher räumlicher Auflösung nach dem Abflussverhalten und der Gebietseigenschaften, die Identifikation abflussrelevanter, physiogeografischer und klimatischer Gebietseigenschaften und die Regionalisierung von Abflussverhalten und Modellparametern auf Basis von Klassifikationen. Dabei wird untersucht, ob sich 53 häufig benachbarte und z.T. ineinander geschachtelte Einzugsgebiete in Rheinland-Pfalz für eine Klassifikation eignen und wie das Abflussverhalten für die Beurteilung von Ähnlichkeiten beschrieben werden kann. Das Abflussverhalten der EZGs wird mit einer großen Anzahl von Ereignis-Abflussbeiwerten je EZG und Abflussdauerlinien (Flow-Duration Curves) der EZGs beschrieben, die das Abflussverhalten umfassend und mit einer ausreichenden Trennschärfe abbilden. Gebietseigenschaften, die das Abflussgeschehen dieser EZG dominieren, sind langjährige, mittlere Niederschlagssummen, die mittlere potentielle Verdunstung, die Topografie und die Speichermöglichkeiten im EZG. Für den Aufbau und die Anwendung der EZG-Klassifikationen wird ein hierfür entwickeltes Verfahren eingesetzt, dass auf Selbstorganisierenden Merkmalskarten (Self-Organizing Maps, SOM) basiert. Vorteile dieses Verfahrens gegenüber vielen konventionellen Verfahren sind Qualitätsmaße, die datenbasierte Bestimmung wichtiger Parameter, aussagestarke Visualisierungen der Ergebnisse und die Klassifikation und Regionalisierung mit einer Methode. Die Auswertung von zwei separaten Klassifikationen, nach dem Abflussverhalten und nach den physiogeografischen und klimatischen Gebietseigenschaften, stellen einen direkten Zusammenhang zwischen Abfluss- und Gebietseigenschaften her. Der Überschneidungsbereich der beiden Klassifikationen ist die Grundlage für die Übertragung von Abflussinformationen auf unbeobachtete Gebiete (Regionalisierung). Die Ergebnisse zeigen, dass die Methode der Clusteranalyse, Klassifikation und Regionalisierung mit SOM und den genannten Abfluss- und Gebietskennwerten geeignet ist, EZGs mit einer hohen räumlichen Auflösung treffend und detailliert zu klassifizieren sowie Abflussparameter zu regionalisieren.
Die in einem Einzugsgebiet herrschende räumliche Inhomogenität wird im Wasserhaushaltsmodell LARSIM (Large Area Runoff Simulation Modell) in den einzelnen Modellkomponenten unterschiedlich stark berücksichtigt. Insbesondere die räumliche Verteilung der Abflussprozesse wurde bisher nicht berücksichtigt, weil keine flächenhaft verfügbare Information über eben diese Verteilung vorlag. Für das Einzugsgebiet der Nahe liegt nun seit dem Jahr 2007 eine Bodenhydrologische Karte vor, die flächenhaft den bei ausreichenden Niederschlägen zu erwartenden Abflussprozess ausweist. In der vorliegenden Dissertation wird die Nutzung dieser Prozessinformation bei der Parametrisierung des Bodenmoduls von LARSIM beschrieben: Für drei Prozessgruppen " gesättigter Oberflächenabfluss, Abfluss im Boden, Tiefenversickerung " werden mittels zweier neuer Parameter P_Bilanz und P_Dämpfung inhomogene Parametersätze aus empirisch ermittelten Kennfeldern gewählt, um die Prozessinformation bei der Abflussbildung im Modell zu berücksichtigen. Für die Abbildung der Prozessintensitäten in den Gebietsspeichern werden zwei unterschiedliche Ansätze vorgestellt, die sich in ihrer Komplexität unterscheiden. In der ersten Variante werden fünf Oberflächenabflussspeicher für unterschiedlich schnell reagierende Prozessgruppen eingeführt, in der zweiten Variante wird der erste Ansatz mit dem ursprünglichen Schwellenwert zur Aufteilung in schnelle und langsame Oberflächenabflusskomponenten kombiniert. Es wird gezeigt, dass die Parametrisierung mit den beiden neuen Parametern P_Bilanz und P_Dämpfung einfacher, effektiver und effizienter ist, da beide Parameter minimale Interaktionen aufweisen und in ihrer Wirkungsweise leicht verständlich sind, was auf die ursprünglichen Bodenparameter nicht zutrifft. Es wird ein Arbeitsfluss vorgestellt, in dem die neuen Parameter in Kombination mit Signature Measures und unterschiedlichen Darstellungen der Abflussdauerlinie gemeinsam genutzt werden können, um in wenigen Arbeitsschritten eine Anpassung des Modells in neuen Einzugsgebieten vorzunehmen. Die Methode wurde durch Anwendung in drei Gebieten validiert. In den drei Gebieten konnte in wenigen Kalibrierungsschritten die Simulationsgüte der ursprünglichen Version erreicht und " je nach Zielsetzung " übertroffen werden. Hinsichtlich der Gütemaße zeigte sich bei der Variante, in der die Gebietsspeicher nicht modifiziert wurden, aber kein eindeutiges Bild, ob die ursprüngliche Parametrisierung oder die neue grundsätzlich überlegen ist. Neben der Auswertung der Validierungszeiträume wurden dabei auch die simulierten Ganglinien in geschachtelten Gebieten betrachtet. Die Version, in der die Gebietsspeicher modifiziert wurden, zeigt hingegen vor allem im Validierungszeitraum tendenziell bessere Simulationsergebnisse. Hinsichtlich der Abbildung der Abflussprozesse ist das neue Verfahren dem alten deutlich überlegen: Es resultiert in plausiblen Anteilen von Abflusskomponenten, deren Verteilung und Abhängigkeit von Speicherkapazitäten, Landnutzungen und Eingangsdaten systematisch ausgewertet wurden. Es zeigte sich, dass vor allem die Speicherkapazität des Bodens einen signifikanten Einfluss hat, der aber im hydrologischen Sinn richtig und hinsichtlich der Modellannahmen plausibel ist. Es wird deutlich gemacht, dass die Einschränkungen, die sich ergeben haben, aufgrund der Modellannahmen zustande kommen, und dass ohne die Änderung dieser Annahmen keine bessere Abbildung möglich ist. Für die Zukunft werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie die Annahmen modifiziert werden können, um eine bessere Abbildung zu erzielen, indem der bereits bestehende Infiltrationsansatz in die Methode integriert wird.
In der Forschung zur aktuellen Prozessdynamik der Bodenerosion sind Niederschlagssimulationen mit kleinen mobilen Beregnungsanlagen (KBA) ein unverzichtbarer Bestandteil. Weltweit werden sehr viele KBA unterschiedlicher Bauart, Plotgrößen, Tropfenerzeugung, Niederschlagsintensitäten, und -spektren eingesetzt. Eine Standardisierung der Anlagen ist aufgrund der Verschiedenheit der Forschungsfelder und -fragen nicht in Sicht. Darüber hinaus sind die erzeugten Niederschläge (Nd) der Anlagen unzureichend genau charakterisiert und es liegt keine einheitliche Datenbasis aller relevanten Parameter vor. Zudem werden mit KBA bisher ausschließlich Starkregen unter windstillen Bedingungen simuliert, obwohl Wind einen deutlichen Einfluss auf fallende Regentropfen ausübt. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei Teile: (1) Weiterentwicklung und Anwendung von KBA: Wie lässt sich die Performance der Trierer KBA optimieren und eine einheitliche Mess- und Kalibrierungsmethode für den simulierten Niederschlag definieren? Welche Anforderungen, Möglichkeiten, Grenzen und Anwendungsbereiche gibt es? (2) Vergleich verschiedener Typen von KBA im Gelände: Inwieweit sind Nd-Charakteristika, Oberflächen-¬abflussgenerierungen und Bodenabträge europäischer KBA vergleichbar? (3) Implemen-¬tierung von windbeschleunigtem Regen in KBA mit dem neuen mobilen Trierer Windregenkanal (WiReKa): Wie kann Wind in ein KBA-Setting integriert werden? Wie sind Unterschiede von Erosionsraten mit und ohne Windeinfluss in-situ zu quantifizieren und wie hoch fallen sie aus? Im ersten Teil der Arbeit wurde zunächst die Nd-Charakteristik der langjährig von der Physischen Geographie eingesetzten KBA mit unterschiedlichen, weltweit angewandten Messmethoden untersucht. Dabei zeigten sich einige Schwächen der KBA bezüglich ihrer Funktionalität. Der Einsatz verschiedener Mess-¬methoden zur Charakterisierung des künstlich erzeugten Nd führte zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen. Mittels Laser-Niederschlags-Monitor (LNM) und Nd-Sammlern wurde daher ein einheitliches Testverfahren entwickelt, das eine detaillierte Aufnahme, Auswertung und Darstellung der relevanten Nd-Parameter nahezu aller KBA-Designs ermöglicht. Mit Hilfe dieses Testverfahrens wurden Nd-Charakteristik, Funktionalität und Mobilität der Trierer KBA durch technische Veränderungen deutlich verbessert. Alle Parameter dieser Anlage sind nun bekannt und lassen sich zuverlässig reproduzieren. Die Anforderungen, Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes von KBA wurden detailliert erarbeitet und beschrieben. Auf dem "International Rainfall Simulator Workshop" in Trier konnte mit 40 Wissenschaftlern aus 11 Nationen Einigkeit über grundlegende Aspekte beim Bau und Einsatz von KBA erzielt werden. Der zweite Teil der Arbeit stellt die Arbeitsmethoden und Ergebnisse eines in internationaler Kooperation durchgeführten Projektes zu Messmethoden und Vergleichbarkeit von Simulatordesigns und Nd-Charakteristika unterschiedlicher europäischer KBA vor. An 13 Instituten in Deutschland, den Niederlanden, der Schweiz und Spanien wurde mit dem Trierer Testverfahren eine einheitliche Datenbasis aller wesentlichen Nd-Parameter erstellt. Im praktischen Teil des Rainfall Simulator Workshop in Trier wurden dann vergleichende Versuche mit sieben KBA auf einer universitätsnahen Versuchsfläche zur Oberflächenabflussgenerierung und zum Bodenabtrag durchgeführt. Vor allem die (maximale) Sedimentkonzentration einer Simulation hat sich dabei als gute Vergleichsgröße herausgestellt. Differenzen in den gemessenen Oberflachenabfluss- und Sedimentmengen sind ganz klar unterschiedlichen Nd zuzuordnen. Der zeitliche Ablauf des Oberflächenabfluss- und Erosionsverhalten differiert dagegen nur bei zunehmender Plotgröße. Im dritten Teil der Arbeit wird analysiert, wie windbeschleunigter Regen in einer KBA simuliert werden kann. Darüber hinaus wurde eine spezielle Testreihenfolge für die Erosionsmessungen entwickelt, deren Praktikabilität sich in der Anwendung bewährt hat. Es konnten stark erhöhte Abtragsraten aufgrund der Zuschaltung von Wind zu der Regensimulation auf kohäsionslosem sandigen Substrat quantifiziert werden. Das Dissertationsprojekt kann auf mehreren Ebenen als erfolgreich angesehen werden: Die Arbeit mit den Trierer KBA konnte qualitativ verbessert werden insofern, als die Anlagenparameter optimiert und die Güte der produzierten Daten gewährleistet werden konnte. Darüber hinaus konnten die gewonnenen Erkenntnisse durch eine gezielte internationale Vernetzung in Wert gesetzt und die Zusammenarbeit auf der operationalen Ebene gestärkt werden.
Rinnen werden als effektive Sedimentquellen und als Transportwege für große Sedimentmengen angesehen, zusätzlich agieren sie als bevorzugte Fließwege für den Oberflächenabfluss. Sie können sich zu irreversiblen Formen (Gullys) weiterentwickeln. Trotz Fortschritten in der Modellierung bleibt insbesondere die Modellierung von Rinnenerosion schwierig. Daher ist es wichtig, experimentelle Daten aus Geländeversuchen zu erheben, um das Prozesswissen zu verbessern und bessere Modelle zu entwickeln. In den Experimenten sollte eine standardisierte Methode verwendet werden, um eine gewisse Vergleichbarkeit der Ergebnisse zwischen unterschiedlichen Testgebieten zu gewährleisten. Die meisten Experimente zur Rinnenerosion, die unter Labor- oder Geländebedingungen durchgeführt wurden, verwendeten Substrate mit unterschiedlichen Korngrößen und natürlichen oder simulierten Niederschlag. Ziel war meist die Entstehung von Rinnennetzwerken zu beobachten, Startbedingungen für Rinnenbildung zu definieren, die Entwicklung der Rinnenmorphologie zu untersuchen, die wichtigsten hydraulischen Parameter wie Fließquerschnitt, benetzten Umfang, hydraulischen Radius, mittlere Fließgeschwindigkeit und shear stress abzuschätzen oder mathematische Modelle zu kreieren, um den Bodenabtrag durch Rinnenerosion abschätzen zu können. Aber es fehlen Untersuchungen zum Verhalten von existierenden Rinnen, natürlichen oder anthropogen entwickelten, unter Geländebedingungen. Um diese Lücke zu schließen wurde eine reproduzierbare Versuchsanordnung entworfen und in verschiedenen Rinnen angewendet um folgende Fragen zu beantworten: Wie hoch ist der Anteil der Rinnenerosion am Bodenabtrag? 2) Wie effektiv sind Rinnen beim Transport von Wasser und Sediment durch ihr Einzugsgebiet? In prozess-basierten Modellen werden verschiedene Prozesse durch mathematische Gleichungen beschrieben. Die Grundlage dieser Formeln ist meist ein hydraulischer Parameter, der in Verbindung zum Abtrag gebracht wird. Der am häufigsten verwendete Parameter ist der shear stress, von dem angenommen wird, dass er ein lineares Verhältnis zu Erosionsparametern wie detachment rate, detachment capacity oder Sedimentkonzentration aufweist. Aus dem shear stress lassen sich weitere Parameter wie unit length shear force oder verschiedene Varianten der stream power berechnen. Die verwendeten Erosions- und hydraulischen Parameter ändern sich je nach Forschergruppe. Eine weitere Modellannahme ist, dass die transport rate die trasnport capacity nicht übersteigen kann. Wenn das transport rate vs. transport capacity - Verhältnis 1 übersteigt, verringern Sedimentationsprozesse die Rate bis die transport capacity wieder erreicht ist. Wir untersuchten in Geländeversuchen die folgenden Annahmen: 1) Ist das Verhältnis zwischen transport rate und transport capacity immer kleiner 1? 2) Besteht die lineare Beziehung zwischen verschiedenen hydraulischen Parametern und Bodenabrtagsparametern? 3)Verursachen die selben hydraulischen Parameter, die in verschiedenen Versuchen aufgenommen wurden, auch immer die selben Erosionsparameter?
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des EU INTERREG NWE IVB Projektes "ForeStClim - Transnational Forestry Management Strategies in Response to Regional Climate Change Impacts". Zum Zweck der Verbesserung des Prozessverständnisses von Abflussprozessen in Wäldern sowie zur Validierung und Weiterentwicklung eines GIS-basierten Tools (GIS-DRP) zur Erstellung von Abflussprozesskarten wurden auf 25 Test-Plots in vier Einzugsgebieten in Rheinland-Pfalz und dem Großherzogtum Luxemburg boden-hydrologische Untersuchungen durchgeführt. Auf Grundlage dieser Untersuchungen konnten große intraspezifische Unterschiede im Abflussverhalten von Waldstandorten erhoben werden. Die Differenzen werden dabei hauptsächlich durch das Substrat, die bodenphysikalischen Eigenschaften, die Nutzung bzw. deren Intensität und die Vorfeuchte bedingt. Es wurde nachgewiesen, dass Wälder generell hohe Infiltrationsraten aufweisen und verzögerte Zwischenabflussprozesse begünstigen. Durch einen prinzipiell naturnahen Waldbau und etwaige Meliorationsmaßnahmen auf Niederertragsstandorten bestehen zudem Möglichkeiten positiv auf die Wasserretention und das Wasserspeichervermögen eines Forstbestandes einzuwirken. Die mittels GIS-DRP erstellten Abflussprozesskarten der vier Testgebiete wurden durch die Ergebnisse der Geländeuntersuchungen sowie der Abflussprozesskartierung nach SCHERRER (2006) validiert. Hierdurch wurden für die Abflussgenerierung wichtige Parameter ermittelt und Optimierungsansätze erarbeitet, welche anschließend in GIS-DRP implementiert werden konnten. Verschlämmungsprozesse auf Ackerflächen können nun durch das modifizierte GIS-DRP-Werkzeug identifiziert werden. Zudem war es möglich, Extrem-Ereignis basierte Abflussprozesskarten zu etablieren, die Hot Spots der Abflussgenerierung identifizieren können. Die Einführung des Abflussprozesses "dSSF" (tiefer Zwischenabfluss) wurde durch eine neue Klassifizierung des geologischen Ausgangssubstrates erreicht. Forstwirten und Entscheidungsträgern im Waldmanagement wird somit die Möglichkeit geboten, Expertenwissen in ihre Planungen einfließen zu lassen. Hierdurch kann zum einen positiv auf den Landschaftswasserhaushalt eingewirkt werden, da gezielt auf Flächen nachteiliger Abflussbildung geeignete Maßnahmen des dezentralen Hochwasserschutzes angewandt werden können. Zum anderen werden Potentiale für bestmögliche Waldwachstumsvoraussetzungen in einem Landschaftsraum aufgezeigt. Der nachhaltigen Nutzung von Wäldern wird somit auch im Kontext des Klimawandels Rechnung getragen.
Durch Bodendegradation werden jedes Jahr weltweit große Schäden verursacht. Die beiden Hauptverursacher für die globale Bodendegradation sind die Wind- und die Wassererosion. Für die Planung von effizienten Schutzmaßnahmen oder regionalen Managementplänen ist es deshalb wichtig zu verstehen, dass die beiden Prozesse nicht nur als abgekoppelte Phänomene auftreten. Auch wenn seit einiger Zeit das Bewusstsein hierfür zugenommen hat und eine steigende Anzahl von Bodenerosionsstudien auf diesen Sachverhalt eingehen, so bestehen vor allem bei der Abschätzung der relativen Bedeutung und dem Verständnis der vorhandenen Interaktionen zwischen der Wind- und Wassererosion noch substantielle Wissenslücken. Da indirekte Messverfahren, wie beispielsweise die Luftbildauswertung oder die Fernerkundung, für mikro-skalige Prozessstudien ungeeignet sind, beschränken sich die Studien zur Erfassung der Interaktion beider Prozesse zumeist auf die direkten und/oder experimentellen Messungen. Ein Vergleich der Abtragsraten und eine Untersuchung der Interaktionen zwischen der Wind- und der Wassererosion ist jedoch sehr schwierig, da es bislang kein Messinstrument gibt, dass einfach und schnell, die durch Wind, Wasser oder deren Zusammenwirken verursachten Erosionsraten auf natürlichen Oberflächen bestimmen kann. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieses Dissertationsprojekts erstmals, ein mobiler Windkanal mit integrierter Beregnungsanlage konzipiert und umgesetzt. Seine simulierten Wind- und Niederschlagseigenschaften wurden in Labormessungen mit einem Laserdistrometer, Niederschlagssammlern, Anemometern und Nebelversuchen bestimmt. Die beim Einsatz der Anlage in unterschiedlichen Messkampagnen gewonnenen Erkenntnisse zu seinem Aufbau flossen stetig in die Weiterentwicklung des Kanals ein. Die Qualität der simulierten Bedingungen im Kanal können nach den Modifikationen und unter Einbeziehung der Anforderungen an einen geländefähigen Kanal mit guter Mobilität, als sehr gut bezeichnet werden. Insbesondere die Reproduzierbarkeit der simulierten Bedingungen treten hier positiv hervor. Die angestrebten Ziele dieser Arbeit konnten weitestgehend erfüllt werden. Mit dem mobilen Windkanal mit integrierter Beregnungsanlage steht in Zukunft eine Anlage zur Verfügung, mit der die Abtragsraten der Wind- und Wassererosion im Gelände, getrennt und in ihrer gemeinsamen Wirkung, gemessen werden können. Durch den Einsatz der Anlage ist es möglich, einige der noch offenen wissenschaftlichen Fragen zur relativen Bedeutung und Interaktion der beiden Prozesse zukünftig zu untersuchen, um weitere Erkenntnisse über Ihren Einfluss auf die Bodendegradation, in Abhängigkeit von Landnutzungsänderungen und dem Klimawandel, zu erhalten.
Die vorliegende Arbeit beschreibt ausgewählte Bereiche des Stadtklimas von Trier. Anhand von langjährigen meteorologischen Messreihen ist eine Bewertung der klimatologischen Gegebenheiten für das Stadtgebiet von Trier möglich. Trenduntersuchungen der Datenreihen des Niederschlags zeigen positive Niederschlagstrends für die meteorologischen Wintermonate. Die Intensität der urbanen Wärmeinsel der Stadt Trier wurde mittels mehrerer Temperaturmessfahrten untersucht und bewertet. Es treten in den Wintermonaten maximale Differenzen von bis zu 5,5 -°C zwischen dem unbebauten Umland und den Innenstadtbereichen auf. Von der erhöhten thermischen Belastung während ausgewählter Wetterlagen sind vor allem die Anwohner der Innenstadtbereiche in den Sommermonaten betroffen. Zusätzlich fand eine Bewertung der thermischen Belastung mittels verschiedener thermischer Indizes statt. Die Auswertungen von Klimaprojektionen für den Untersuchungsraum zeigen eine starke Zunahme der thermischen Belastung ab Mitte des 21. Jahrhunderts. Die Auswirkungen des Sommers 2003 auf die Bevölkerung von Trier wurde anhand von Mortalitätsdaten von JUNK ET AL. (2007) analysiert. Die Kosten des Klimawandels (Temperaturzunahme bis 2100 um 4,5 -°C) in den kommenden 50 Jahren beziffert eine Studie des Deutschen Institutes für Wirtschaftsforschung auf rund 80 Milliarden Euro für Rheinland-Pfalz. Auch wenn diese Abschätzungen mit starken Unsicherheiten behaftet sind, so wird dringender Handlungsbedarf deutlich. Vor dem Hintergrund des Klimawandels und der zunehmenden Urbanisierung muss sich auch im Bereich der Stadtplanung und der Verwaltung von urbanen Agglomerationsräumen das Prinzip der Nachhaltigkeit in allen Skalenbereichen durchsetzen. Übertragen auf den Bereich der Stadtklimatologie heißt das, dass dies auf die Ressourcen saubere Luft, angemessener Flächen- und Energieverbrauch verbunden mit Luft-schadstoffemissionen, Recht auf Mobilität usw. übertragen werden muss. Im Vordergrund steht dabei eine Entkopplung des Ressourcenverbrauchs von dem wirtschaftlichen Wachstum durch technische Innovation, effizientere Technologien und verändertes individuelles Verhalten. Bezüglich der lufthygienischen Situation im Stadtbereich von Trier konnten Partikel und Stickoxide als wichtige Schadstoffe identifiziert werden. Da die Auswertungen der Luftschadstoffe auf die Datensätze des ZIMEN-Messnetzes beschränkt sind, können keine Aussagen über Inhaltsstoffe von Partikeln getroffen werden. Für die untersuchten Luftschadstoffe CO, SO2, NOx, O3 und PM10 treten in den letzten Jahren keine Grenzwertüberschreitungen auf, jedoch liegen die gemessenen Werte nur geringfügig unter diesen und überschreiten teilweise die unteren- und oberen Beurteilungsschwellen. Die Auswertungen des wirkungsbezogenen Luftqualitätsindex DAQx zeigen, dass in der Mehrheit der Fälle Feinstaub der bestimmende Luftschadstoff ist. Die Analyse der mittleren Mortali-tätszahlen zeigt, das bei DAQx-Werten > 4,0 (ausreichende Luftqualität) die Anzahl der täglichen Mortalitätsfälle über den Durchschnitt von 5,74 Fällen pro Tag steigt. Der Klimawandel wird auch direkte Auswirkungen auf die Luftschadstoffbelastung haben. Dies geschieht über die Veränderung der Windverhältnisse, Änderungen in der Höhe der Mischungsschicht sowie Änderungen in der Frequenz und Zugbahn von Tiefdruckgebieten. Veränderte Niederschlagsmuster beeinflussen die nassen und trockenen Depositionsraten, und die prognostizierte Temperaturerhöhung beeinflusst die chemischen Bildungs- und Abbauprozesse in der Atmosphäre, sowie die natürlichen Emissionsquellen. Der Einfluss des zu erwartenden Temperaturanstieges auf die Ozonkonzentrationen in urbanen Gebieten lässt sich gut einschätzen, da während Episoden mit hohen Ozonkonzentrationen eine signifikante Korrelation zwischen der Lufttemperatur und der Ozonkonzentration besteht. Studien zeigen einen Anstieg der Ozonkonzentration zwischen 2 -µg/m-³ und 20 -µg/m-³ pro Grad Kelvin in Abhängigkeit des Emissionsszenarios, der verwendeten Modelle und der untersuchten Region aus. Die urbanen Ballungsräume werden von diesem Ozonanstieg stärker betroffen sein, da dort genügend Ozonvorläufersubstanzen vorhanden sind. Der Einfluss auf die Partikelkonzentrationen ist schwieriger zu beurteilen, da keine klaren Zusammenhänge zwischen der Lufttemperatur und den Partikelkonzentrationen bestehen. Insgesamt ist tendenziell mit einer Stagnation bis hin zu einer kurzzeitigen Verschlechterung der Luftqualität zu rechnen. Deswegen reicht die bereits erwähnte alleinige Berücksichtigung der thermischen Gegebenheiten in einem Warnsystem nicht aus. Es geht vielmehr um die integrative Bewertung der potentiellen Gefahrensituation für die Bevölkerung und die situationsbezogene Auslösung von Interventionsmaßnahmen und Aktionsplänen. Ein solches System wird derzeit für die Modellregion Esch-sur-Alzette in Luxemburg erstellt und wird 2011 in die Pilotphase eintreten.
Aus dem Wunsch, die zentralen Prozesse im System Boden"Pflanze"Atmosphäre einschließlich der Auswirkungen verschiedener Bewirtschaftungspraktiken zu verstehen und nachzubilden, resultiert die Entwicklung verschiedener Pflanzenwachstumsmodelle. Ziel der vorliegenden Untersuchung ist zum einen, die im Realsystem auftretenden räumlichen Ertragsmuster zu identifizieren und zu charakterisieren. Mithilfe der Semivariogramm-Analyse ist eine räumliche Autokorrelation der Ertragsdaten von maximal 48 Meter abzuleiten. Die räumliche Analyse (GIS) zeigt, dass die Sommergerste ein leicht abweichendes Verhalten im Vergleich zu den Winterkulturen (Winterweizen, Winterraps) aufweist. Schließlich werden mithilfe der selbstorganisierenden Merkmalskarten die primär und sekundär für das Ertragsverhalten verantwortlichen Ursachen identifiziert. Eine abschließende hierarchische Clusteranalyse gliedert die in die Untersuchung eingehenden Standorte in vier spezifische Cluster mit charakteristischen Eigenschaften. Ein zweites Ziel ist die Klärung der Frage, ob die Pflanzenwachstumsmodelle STICS und DAISY bei entsprechender Parametrisierung in der Lage sind, das für ein detektiertes Muster charakteristische Verhalten von Pflanzenwachstum und Ertrag realitätsnah abzubilden. Den Modellanwendungen gehen eine Sensitivitätsanalyse und verschiedene Parametrisierungsansätze zur Erfassung des jeweiligen Modellverhaltens voraus. In beiden Modellen übt der Bodenwasserhaushalt einen starken Einfluss auf die Ertragsbildung aus. Des weiteren kommt in beiden Modellen den Stressfaktoren eine zentrale Bedeutung zu. Die Parametrisierung der Modelle auf der Grundlage der im Feld erhobenen Daten führt bei beiden Modellen nicht zu einem dem Realsystem entsprechenden Bild. Eine über die Sensitivitätsanalyse hinausreichende, vertiefte Modellkenntnis ist erforderlich, um die in die Modelle eingehenden Parameter bzw. deren spezifischen Einfluss auf das Modellverhalten beurteilen und interpretieren zu können. Dies betrifft insbesondere die Modellgrößen der Bodenmodule. Dieser Aspekt erschwert eine einfache räumliche Übertragung der Modelle STICS und DAISY.
Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die raumdifferenzierte und skalenübergreifende Untersuchung der Hochwasserentstehungsprozesse im Frankelbach-Einzugsgebiet, das ein Beispiel eines land- und forstwirtschaftlich genutzten Kleineinzugsgebiets in Mittelgebirgen der gemäßigten Breiten ist. Eine Kernaufgabe war die Quantifizierung der Beiträge einzelner Abflusskomponenten während des Scheiteldurchflusses eines Hochwassers. Zudem sollten Zusammenhänge zwischen der Bodenfeuchtedynamik und der Abflussreaktion herausgearbeitet werden. Zur Bodenfeuchtemessung wurde ein neu entwickeltes Spatial-TDR-Messsystem eingesetzt. Im Rahmen dieses pilothaften Einsatzes war zudem die Tauglichkeit des Messsystems zu überprüfen und zu bewerten. Das im Rotliegenden gelegene 5 km2 große Frankelbachgebiet mit Jahresniederschlägen von 750 mm a-1, steil eingeschnittenen, bewaldeten Kerbtälern und ackerwirtschaftlich genutzten Hochflächen liegt zwischen 200 und 450 m ü. NN. Auf schuttführenden Sand- und Schlufflehmen, deren Genese auf periglaziale Solifluktionsprozesse zurückgeht, sind hangabwärts mächtiger werdende Braunerden zu finden. Bemerkenswert sind die zahlreichen Quellen auf gleicher Höhenlage, die teilweise als Pipequellen ausgebildet sind. Beregnungs- und Infiltrationsversuche dienten der Beurteilung der Oberflächenabflussreaktion unterschiedlich bewirtschafteter Flächen. Durch stündliche Spatial-TDR-Messungen an 13 Standorten (60 cm lange vertikal installierte Dreistabsonden) konnten Hangwasserflüsse identifiziert werden. Zwischen 2005 und 2009 wurden die Abflüsse vier geschachtelter Einzugsgebiete sowie einer Quelle in 10min-Intervallen erfasst und 87 Hochwasserereignisse analysiert. Mittels Messungen der elektrischen Leitfähigkeit und eines Zweikomponenten-Mischungsmodells wurde der Ereigniswasseranteil für die höchsten Hochwasser abgeschätzt. Ergänzend zu den Geländeexperimenten wurde ein einfaches Modell konzipiert, das eine quantitative Abschätzung der ober- und unterirdischen Wasserflüsse in einen Gewässereinschnitt erlaubt. Zum Vergleich mit 31 anderen Untersuchungsgebieten wurde eine Codierung entwickelt, die eine Einordnung sowohl hinsichtlich der Geofaktoren der Gebiete als auch bezüglich der untersuchten Hochwasserereignisse ermöglicht. Das im hanghydrologischen Forschungsbereich als eher trocken einzuordnende Frankelbachgebiet, zeigte ein jahreszeitlich sehr unterschiedliches Abflussverhalten. Während in trockenen Sommern hohe Niederschläge im Gebiet gespeichert werden, liegen die Abflusskoeffizienten für einige schneeschmelzfreie Frühjahrsereignisse über 50 %. Das höchste beobachtete Hochwasser weist einen Abflusskoeffizient von 55 % bei einer relativ niedrigen Abflussspende von 140 l s-1 km-2 auf. Die Großberegnungsversuche, die Quellabflussmessungen, die Ereignisanalysen und die Modellierungsergebnisse weisen darauf hin, dass Dauerregen- und Schneeschmelz-Hochwasser zum Großteil aus Zwischenabfluss bestehen. Hier konnten zwei Abflusskomponenten differenziert werden: (i) eine oberflächen- und gerinnenahe Komponenten, die aufgrund des hohen Ereigniswasseranteils von etwa 60 % durch präferentielles Fließen erklärt werden kann, und (ii) eine ein bis zwei Tage verzögerte tiefere Komponente, die durch unterirdische Abflusskonzentration auf stauenden Schichten generiert wird. Letztere war in den Quellabfluss- und Spatial-TDR-Messungen erkennbar, hatte jedoch an den am Pegel beobachteten Scheiteldurchflüssen nur einen sehr kleinen Anteil. Während sehr intensiver Niederschläge könnte zusätzlich der Horton'sche Oberflächenabfluss von offen liegenden, hydraulisch angeschlossenen Äckern zum Scheiteldurchfluss beitragen. Für sämtliche Spatial-TDR-Messstandorte ist von hohen Infiltrations- und Sickerraten auszugehen. Eine Aufsättigung der Standorte war nicht erkennbar, für die nassen Wintermonate liegen jedoch nur sehr wenige Spatial-TDR-Messwerte vor. Eine in einer Tiefenlinie installierte Sonde (A08) zeigte das Umschalten des Gesamtgebiets in relativ nasse Zustände an. Hier nahm die Bodenfeuchte während zwei größerer Dauerregenereignisse infolge der unterirdischen Abflusskonzentration stark zu. In der vorliegenden Arbeit wurden die einbau- und substratbedingten Unsicherheiten sowie die Schwächen des Algorithmus zur Rekonstruktion der absoluten Bodenfeuchtewerte konkretisiert. Demzufolge wurde lediglich das Spatial-TDR-Rohsignal als Indikator für die aktuelle Bodenfeuchte verwendet. Durch eine Transformation des Spatial-TDR-Signals von der Zeit auf den Sondenort können dennoch Aussagen zur relativen Änderung der Bodenfeuchte in einer bestimmten Tiefe gemacht werden können. Diese Informationen sind hinreichend genau für die Untersuchung hanghydrologischer Prozesse und für die Ableitung von Gebietsfeuchtezuständen.