Institut für Geoökologie
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Theoretische Ansätze unter den Oberbegriffen "Hierarchy" und "Scale" sind in der Ökologie seit den 1980er-Jahren entwickelt und intensiv diskutiert worden. Das wissenschaftliche Paradigma kann mit dem Begriff "Hierarchical Patch Dynamics" beschrieben werden. Obwohl auch Anwendungsbezüge diskutiert und konzipiert wurden, hat es in Deutschland bisher in der Landschaftsplanung kein größeres Echo hervorgerufen. Gleichwohl gibt es eine Reihe interessanter Anknüpfungspunkte zwischen Aussagen der ökologischen Hierarchie-Theorie und konkreten landschaftsplanerischen und naturschutzfachliceh Aufgabenstellungen. Vor diesem Hintergrund werden Grundzüge dieser Theorie bzw. der unter dem Dach des Paradigmas "Hierarchical Patch Dynamics" versammelten theoretischen Ansätze dargestellt. Wesentlich ist die erkenntnistheoretische Grundhaltung, die versucht, unzulässige Verallgemeinerungen oder Absolutheitsansprüche auszuschließen, indem sie zunächst den Gegenstandsbereich der Ökologie beschreibt und analysiert. Auf dieser Grundlage werden Herangehensweisen zur Behandlung ökologischer Fragestellungen vorgeschlagen. Diese Herangehensweisen lassen sich auf landschaftsplanerische Aufgaben übertragen. Es wird gezeigt, für welche Bereiche eine solche Übertragung denkbar wäre. Letztlich bedürfte es einer Praxisüberprüfung, um herauszufinden, ob mit Hilfe von Ansätzen der ökologischen Hierarchie- Theorie die Bearbeitung planerischer Fragestellungen verbessert oder ergänzt werden könnte.
Channel transmission losses in drylands take place normally in extensive alluvial channels or streambeds underlain by fractured rocks. They can play an important role in streamflow rates, groundwater recharge, freshwater supply and channel-associated ecosystems. We aim to develop a process-oriented, semi-distributed channel transmission losses model, using process formulations which are suitable for data-scarce dryland environments and applicable to both hydraulically disconnected losing streams and hydraulically connected losing(/gaining) streams. This approach should be able to cover a large variation in climate and hydro-geologic controls, which are typically found in dryland regions of the Earth. Our model was first evaluated for a losing/gaining, hydraulically connected 30 km reach of the Middle Jaguaribe River (MJR), Ceara, Brazil, which drains a catchment area of 20 000 km(2). Secondly, we applied it to a small losing, hydraulically disconnected 1.5 km channel reach in the Walnut Gulch Experimental Watershed (WGEW), Arizona, USA. The model was able to predict reliably the streamflow volume and peak for both case studies without using any parameter calibration procedure. We have shown that the evaluation of the hypotheses on the dominant hydrological processes was fundamental for reducing structural model uncertainties and improving the streamflow prediction. For instance, in the case of the large river reach (MJR), it was shown that both lateral stream-aquifer water fluxes and groundwater flow in the underlying alluvium parallel to the river course are necessary to predict streamflow volume and channel transmission losses, the former process being more relevant than the latter. Regarding model uncertainty, it was shown that the approaches, which were applied for the unsaturated zone processes (highly nonlinear with elaborate numerical solutions), are much more sensitive to parameter variability than those approaches which were used for the saturated zone (mathematically simple water budgeting in aquifer columns, including backwater effects). In case of the MJR-application, we have seen that structural uncertainties due to the limited knowledge of the subsurface saturated system interactions (i.e. groundwater coupling with channel water; possible groundwater flow parallel to the river) were more relevant than those related to the subsurface parameter variability. In case of the WEGW application we have seen that the non-linearity involved in the unsaturated flow processes in disconnected dryland river systems (controlled by the unsaturated zone) generally contain far more model uncertainties than do connected systems controlled by the saturated flow. Therefore, the degree of aridity of a dryland river may be an indicator of potential model uncertainty and subsequent attainable predictability of the system.
A water quality model for shallow river-lake systems and its application in river basin management
(2007)
This work documents the development and application of a new model for simulating mass transport and turnover in rivers and shallow lakes. The simulation tool called 'TRAM' is intended to complement mesoscale eco-hydrological catchment models in studies on river basin management. TRAM aims at describing the water quality of individual water bodies, using problem- and scale-adequate approaches for representing their hydrological and ecological characteristics. The need for such flexible water quality analysis and prediction tools is expected to further increase during the implementation of the European Water Framework Directive (WFD) as well as in the context of climate change research. The developed simulation tool consists of a transport and a reaction module with the latter being highly flexible with respect to the description of turnover processes in the aquatic environment. Therefore, simulation approaches of different complexity can easily be tested and model formulations can be chosen in consideration of the problem at hand, knowledge of process functioning, and data availability. Consequently, TRAM is suitable for both heavily simplified engineering applications as well as scientific ecosystem studies involving a large number of state variables, interactions, and boundary conditions. TRAM can easily be linked to catchment models off-line and it requires the use of external hydrodynamic simulation software. Parametrization of the model and visualization of simulation results are facilitated by the use of geographical information systems as well as specific pre- and post-processors. TRAM has been developed within the research project 'Management Options for the Havel River Basin' funded by the German Ministry of Education and Research. The project focused on the analysis of different options for reducing the nutrient load of surface waters. It was intended to support the implementation of the WFD in the lowland catchment of the Havel River located in North-East Germany. Within the above-mentioned study TRAM was applied with two goals in mind. In a first step, the model was used for identifying the magnitude as well as spatial and temporal patterns of nitrogen retention and sediment phosphorus release in a 100~km stretch of the highly eutrophic Lower Havel River. From the system analysis, strongly simplified conceptual approaches for modeling N-retention and P-remobilization in the studied river-lake system were obtained. In a second step, the impact of reduced external nutrient loading on the nitrogen and phosphorus concentrations of the Havel River was simulated (scenario analysis) taking into account internal retention/release. The boundary conditions for the scenario analysis such as runoff and nutrient emissions from river basins were computed by project partners using the catchment models SWIM and ArcEGMO-Urban. Based on the output of TRAM, the considered options of emission control could finally be evaluated using a site-specific assessment scale which is compatible with the requirements of the WFD. Uncertainties in the model predictions were also examined. According to simulation results, the target of the WFD -- with respect to total phosphorus concentrations in the Lower Havel River -- could be achieved in the medium-term, if the full potential for reducing point and non-point emissions was tapped. Furthermore, model results suggest that internal phosphorus loading will ease off noticeably until 2015 due to a declining pool of sedimentary mobile phosphate. Mass balance calculations revealed that the lakes of the Lower Havel River are an important nitrogen sink. This natural retention effect contributes significantly to the efforts aimed at reducing the river's nitrogen load. If a sustainable improvement of the river system's water quality is to be achieved, enhanced measures to further reduce the immissions of both phosphorus and nitrogen are required.
Die vorliegende Arbeit 'Abflußentwicklung in Teileinzugsgebieten des Rheins - Simulationen für den Ist-Zustand und für Klimaszenarien' untersucht Auswirkungen möglicher zukünftiger Klimaänderungen auf das Abflußgeschehen in ausgewählten, durch Mittelgebirge geprägten Teileinzugsgebieten des Rheins: Mosel (bis Pegel Cochem); Sieg (bis Pegel Menden 1) und Main (bis Pegel Kemmern).In einem ersten Schritt werden unter Verwendung des hydrologischen Modells HBV-D wichtige Modellprozesse entsprechend der Einzugsgebietscharakteristik parametrisiert und ein Abbild der Gebietshydrologie erzeugt, das mit Zeitreihen gemessener Tageswerte (Temperatur, Niederschlag) eine Zeitreihe der Pegeldurchflüsse simulieren kann. Die Güte der Simulation des Ist-Zustandes (Standard-Meßzeitraum 1.1.1961-31.12.1999) ist für die Kalibrierungs- und Validierungszeiträume in allen Untersuchungsgebieten gut bis sehr gut.Zur Erleichterung der umfangreichen, zeitaufwendigen einzugsgebietsbezogenen Datenaufbereitung für das hydrologische Modell HBV-D wurde eine Arbeitsumgebung auf Basis von Programmerweiterungen des Geoinformationssystems ArcView und zusätzlichen Hilfsprogrammen entwickelt. Die Arbeitsumgebung HBV-Params enthält eine graphische Benutzeroberfläche und räumt sowohl erfahrenen Hydrologen als auch hydrologisch geschulten Anwendern, z.B. Studenten der Vertiefungsrichtung Hydrologie, Flexibilität und vollständige Kontrolle bei der Ableitung von Parameterwerten und der Editierung von Parameter- und Steuerdateien ein. Somit ist HBV-D im Gegensatz zu Vorläuferversionen mit rudimentären Arbeitsumgebungen auch außerhalb der Forschung für Lehr- und Übungszwecke einsetzbar.In einem zweiten Schritt werden Gebietsniederschlagssummen, Gebietstemperaturen und simulierte Mittelwerte des Durchflusses (MQ) des Ist-Zustandes mit den Zuständen zweier Klimaszenarien für den Szenarienzeitraum 100 Jahre später (2061-2099) verglichen. Die Klimaszenarien beruhen auf simulierten Zirkulationsmustern je eines Modellaufes zweier Globaler Zirkulationsmodelle (GCM), die mit einem statistischen Regionalisierungsverfahren in Tageswertszenarien (Temperatur, Niederschlag) an Meßstationen in den Untersuchungsgebieten überführt wurden und als Eingangsdaten des hydrologischen Modells verwendet werden.Für die zweite Hälfte des 21. Jahrhunderts weisen beide regionalisierten Klimaszenarien eine Zunahme der Jahresmittel der Gebietstemperatur sowie eine Zunahme der Jahressummen der Gebietsniederschläge auf, die mit einer hohen Variabilität einhergeht. Eine Betrachtung der saisonalen (monatlichen) Änderungsbeträge von Temperatur, Niederschlag und mittlerem Durchfluß zwischen Szenarienzeitraum (2061-2099) und Ist-Zustand ergibt in allen Untersuchungsgebieten eine Temperaturzunahme (höher im Sommer als im Winter) und eine generelle Zunahme der Niederschlagssummen (mit starken Schwankungen zwischen den Einzelmonaten), die bei der hydrologischen Simulation zu deutlich höheren mittleren Durchflüssen von November bis März und leicht erhöhten mittleren Durchflüssen in den restlichen Monaten führen. Die Stärke der Durchflußerhöhung ist nach den individuellen Klimaszenarien unterschiedlich und im Sommer- bzw. Winterhalbjahr gegenläufig ausgeprägt. Hauptursache für die simulierte starke Zunahme der mittleren Durchflüsse im Winterhalbjahr ist die trotz Temperaturerhöhung der Klimaszenarien winterlich niedrige Evapotranspiration, so daß erhöhte Niederschläge direkt in erhöhten Durchfluß transformiert werden können.Der Vergleich der Untersuchungsgebiete zeigt in Einzelmonaten von West nach Ost abnehmende Änderungsbeträge der Niederschlagssummen, die als Hinweis auf die Bedeutung der Kontinentalitätseinflüsse auch unter geänderten klimatischen Bedingungen in Südwestdeutschland aufgefaßt werden könnten.Aus den regionalisierten Klimaszenarien werden Änderungsbeträge für die Modulation gemessener Zeitreihen mittels synthetischer Szenarien abgeleitet, die mit einem geringen Rechenaufwand in hydrologische Modellantworten überführt werden können. Die direkte Ableitung synthetischer Szenarien aus GCM-Ergebniswerten (bodennahe Temperatur und Gesamtniederschlag) an einzelnen GCM-Gitterpunkten erbrachte unbefriedigende Ergebnisse.Ob, in welcher Höhe und zeitlichen Verteilung die in den (synthetischen) Szenarien verwendeten Niederschlags- und Temperaturänderungen eintreten werden, kann nur die Zukunft zeigen. Eine Abschätzung, wie sich die Abflußverhältnisse und insbesondere die mittleren Durchflüsse der Untersuchungsgebiete bei möglichen Änderungen entwickeln würden, kann jedoch heute schon vorgenommen werden. Simulationen auf Szenariogrundlagen sind ein Weg, unbekannte zukünftige Randbedingungen sowie regionale Auswirkungen möglicher Änderungen des Klimasystems ausschnittsweise abzuschätzen und entsprechende Risikominderungsstrategien zu entwickeln. Jegliche Modellierung und Simulation natürlicher Systeme ist jedoch mit beträchtlichen Unsicherheiten verknüpft. Vergleichsweise große Unsicherheiten sind mit der zukünftigen Entwicklung des sozioökonomischen Systems und der Komplexität des Klimasystems verbunden. Weiterhin haben Unsicherheiten der einzelnen Modellbausteine der Modellkette Emissionsszenarien/Gaszyklusmodelle - Globale Zirkulationsmodelle/Regionalisierung - hydrologisches Modell, die eine Kaskade der Unsicherheiten ergeben, neben Datenunsicherheiten bei der Erfassung hydrometeorologischer Meßgrößen einen erheblichen Einfluß auf die Vertrauenswürdigkeit der Simulationsergebnisse, die als ein dargestellter Wert eines Ergebnisbandes zu interpretieren sind.Der Einsatz (1) robuster hydrologischer Modelle, die insbesondere temperaturbeeinflußte Prozesse adäquat beschreiben,(2) die Verwendung langer Zeitreihen (wenigsten 30 Jahre) von Meßwerten und(3) die gleichzeitige vergleichende Betrachtung von Klimaszenarien, die auf unterschiedlichen GCMs beruhen (und wenn möglich, verschiedene Emissionsszenarien berücksichtigen),sollte aus Gründen der wissenschaftlichen Sorgfalt, aber auch der besseren Vergleichbarkeit der Ergebnisse von Regionalstudien im noch jungen Forschungsfeld der Klimafolgenforschung beachtet werden.
The "Weighting Process" in Land Use Planning - Discussion of the Present Practice of "Weighting Out". Owing to the revision of the Building Code from January 1998 the impact regulation in land use planning is now established in the Building Law. This means the local governments have decision-making powers how to precisely implement the impact regulation. This, however, does not mean - as had been said in practice - that the concerns of nature and landscape can be "weighted out". On the contrary, the decision-making process has to include a detailed differentiation depending on the case, according to a verdict of the Supreme Administrative Court from 1997. The concerns of nature and landscape cannot be moved back as "not of furhter relevance". Only precisely described and insurmontable constraints allow cutbacks. Since compensation measures now can be carried out on the ground of adjacent local communities, a lack of sites available cannot be accepted as a reason. The paper makes clear why also in urban land use planning interference into nature has to be fully compensated for.
The Alborz range of N Iran provides key information on the spatiotemporal evolution and characteristics of the Arabia-Eurasia continental collision zone. The southwestern Alborz range constitutes a transpressional duplex, which accommodates oblique shortening between Central Iran and the South Caspian Basin. The duplex comprises NW-striking frontal ramps that are kinematically linked to inherited E-W-striking, right-stepping lateral to obliquely oriented ramps. New zircon and apatite (U-Th)/He data provide a high-resolution framework to unravel the evolution of collisional tectonics in this region. Our data record two pulses of fast cooling associated with SW-directed thrusting across the frontal ramps at similar to 18-14 and 9.5-7.5 Ma, resulting in the tectonic repetition of a fossil zircon partial retention zone and a cooling pattern with a half U-shaped geometry. Uniform cooling ages of similar to 7-6 Ma along the southernmost E-W striking oblique ramp and across its associated NW-striking frontal ramps suggests that the ramp was reactivated as a master throughgoing, N-dipping thrust. We interpret this major change in fault kinematics and deformation style to be related to a change in the shortening direction from NE to N/NNE. The reduction in the obliquity of thrusting may indicate the termination of strike-slip faulting (and possibly thrusting) across the Iranian Plateau, which could have been triggered by an increase in elevation. Furthermore, we suggest that similar to 7-6-m.y.-old S-directed thrusting predated inception of the westward motion of the South Caspian Basin. Citation: Ballato, P., D. F. Stockli, M. R. Ghassemi, A. Landgraf, M. R. Strecker, J. Hassanzadeh, A. Friedrich, and S. H. Tabatabaei (2012), Accommodation of transpressional strain in the Arabia-Eurasia collision zone: new constraints from (U-Th)/He thermochronology in the Alborz mountains.