TY  - THES
A1  - Francke, Till
T1  - Measurement and modelling of water and sediment fluxes in meso-scale dryland catchments
T1  - Messung und Modellierung von Wasser- und Sedimentflüssen in mesoskaligen Trockeneinzugsgebieten
N2  - Water shortage is a serious threat for many societies worldwide. In drylands, water management measures like the construction of reservoirs are affected by eroded sediments transported in the rivers. Thus, the capability of assessing water and sediment fluxes at the river basin scale is of vital importance to support management decisions and policy making. This subject was addressed by the DFG-funded SESAM-project (Sediment Export from large Semi-Arid catchments: Measurements and Modelling). As a part of this project, this thesis focuses on (1) the development and implementation of an erosion module for a meso-scale catchment model, (2) the development of upscaling and generalization methods for the parameterization of such model, (3) the execution of measurements to obtain data required for the modelling and (4) the application of the model to different study areas and its evaluation. The research was carried out in two meso-scale dryland catchments in NE-Spain: Ribera Salada (200 km²) and Isábena (450 km²). Adressing objective 1, WASA-SED, a spatially semi-distributed model for water and sediment transport at the meso-scale was developed. The model simulates runoff and erosion processes at the hillslope scale, transport processes of suspended and bedload fluxes in the river reaches, and retention and remobilisation processes of sediments in reservoirs. This thesis introduces the model concept, presents current model applications and discusses its capabilities and limitations. Modelling at larger scales faces the dilemma of describing relevant processes while maintaining a manageable demand for input data and computation time. WASA-SED addresses this challenge by employing an innovative catena-based upscaling approach: the landscape is represented by characteristic toposequences. For deriving these toposequences with regard to multiple attributes (eg. topography, soils, vegetation) the LUMP-algorithm (Landscape Unit Mapping Program) was developed and related to objective 2. It incorporates an algorithm to retrieve representative catenas and their attributes, based on a Digital Elevation Model and supplemental spatial data. These catenas are classified to provide the discretization for the WASA-SED model. For objective 3, water and sediment fluxes were monitored at the catchment outlet of the Isábena and some of its sub-catchments. For sediment yield estimation, the intermittent measurements of suspended sediment concentration (SSC) had to be interpolated. This thesis presents a comparison of traditional sediment rating curves (SRCs), generalized linear models (GLMs) and non-parametric regression using Random Forests (RF) and Quantile Regression Forests (QRF). The observed SSCs are highly variable and range over six orders of magnitude. For these data, traditional SRCs performed poorly, as did GLMs, despite including other relevant process variables (e.g. rainfall intensities, discharge characteristics). RF and QRF proved to be very robust and performed favourably for reproducing sediment dynamics. QRF additionally excels in providing estimates on the accuracy of the predictions. Subsequent analysis showed that most of the sediment was exported during intense storms of late summer. Later floods yielded successively less sediment. Comparing sediment generation to yield at the outlet suggested considerable storage effects within the river channel. Addressing objective 4, the WASA-SED model was parameterized for the two study areas in NE Spain and applied with different foci. For Ribera Salada, the uncalibrated model yielded reasonable results for runoff and sediment. It provided quantitative measures of the change in runoff and sediment yield for different land-uses. Additional land management scenarios were presented and compared to impacts caused by climate change projections. In contrast, the application for the Isábena focussed on exploring the full potential of the model's predictive capabilities. The calibrated model achieved an acceptable performance for the validation period in terms of water and sediment fluxes. The inadequate representation of the lower sub-catchments inflicted considerable reductions on model performance, while results for the headwater catchments showed good agreement despite stark contrasts in sediment yield. In summary, the application of WASA-SED to three catchments proved the model framework to be a practicable multi-scale approach. It successfully links the hillslope to the catchment scale and integrates the three components hillslope, river and reservoir in one model. Thus, it provides a feasible approach for tackling issues of water and sediment yield at the meso-scale. The crucial role of processes like transmission losses and sediment storage in the river has been identified. Further advances can be expected when the representation of connectivity of water and sediment fluxes (intra-hillslope, hillslope-river, intra-river) is refined and input data improves.
N2  - In vielen Regionen der Erde stellt Wassermangel ein Problem für die menschliche Gesellschaft dar. Insbesondere in Trockengebieten werden jedoch Maßnahmen des Wassermanagements, wie die Wasserspeicherung in Stauseen, durch die im Fluss transportierten Sedimentfrachten negativ beeinflusst. Somit stellen eine adäquate Beurteilung von Wasser- und Sedimentflüssen eine wichtige Voraussetzung für Entscheidungen in Wassermanagement und -planung dar. Dieser Problematik widmete sich das SESAM-Projekt (Sediment Export from large Semi-Arid catchments: Measurements and Modelling). Im Rahmen dieses Projektes befasste sich diese Dissertation mit (1) der Entwicklung und Umsetzung eines Erosions-Moduls für ein Einzugsgebietsmodell auf der Meso-Skala, (2) der Entwicklung von Skalierungs- und Generalisierungsmethoden für die Parametrisierung eines solchen Modells, (3) der Durchführung von Messungen, um die notwendigen Daten für das Modell zu gewinnen und (4) die Anwendung des Modells für verschiedene Einzugsgebiete und seiner Bewertung. Die Studie umfasste zwei mesoskalige Trockeneinzugsgebiete in NO-Spanien: Ribera Salada (200 km²) und Isábena (450 km²). Im Hinblick auf Zielstellung 1 wurde WASA-SED, ein räumlich semi-distribuiertes Modell für Wasserflüsse und Sedimenttransport, entwickelt. Das Modell simuliert Abfluss- und Erosionsprozesse auf der Hangskala, den Transport von suspendierten und Geschiebesedimenten auf der Skala von Flussabschnitten sowie Rückhalt- und Remobilisierungsprozesse von Sedimenten in Stauseen. Die vorliegende Arbeit stellt das Modellkonzept und Modellanwendungen vor und beschreibt Fähigkeiten und Grenzen des Modells. Die Modellierung auf größeren Skalen beinhaltet das Dilemma, dass relevante Prozesse beschrieben werden müssen, gleichzeitig aber die Anforderungen an Eingabedaten und Rechenzeit realisierbar bleiben. In WASA-SED wird diesem durch die Anwendung eines innovativen Hangprofil-basierten Skalierungsansatzes Rechnung getragen, indem die Landschaft durch charakteristische Toposequenzen repräsentiert wird. Um derartige Toposequenzen hinsichtlich verschiedener Landschaftseigenschaften (z.B. Relief, Böden, Vegetation) abzuleiten, wurde in Bezug zur Zielstellung 2 der LUMP-Algorithmus (Landscape Unit Mapping Program) entwickelt. LUMP beinhaltet ein Verfahren zur Berechnung repräsentativer Hangprofile und ihrer Attribute aus einem digitalen Geländemodell und optionalen Zusatzdaten. Durch die Klassifikation dieser Hangprofile wird die Grundlage der räumlichen Diskretisierung des WASA-SED Modells bereitgestellt. Im Zusammenhang mit Zielstellung 3 wurden Abfluss und Sedimentkonzentration (SSC) am Auslass und in einigen Teileinzugsgebieten des Isábena-Einzugsgebietes gemessen. Um den Sedimentaustrag zu bestimmen, mussten die Einzelmessung der Sedimentkonzentration interpoliert werden. Diese Arbeit vergleicht die Eignung traditioneller Eichkurvenansätze (SRCs), Generalized Linear Models (GLMs) und der nichtparametrischen Regressionstechniken Random Forests (RF) und Quantile Regression Forests (QRF). Da die beobachteten SSC-Werte stark über sechs Größenordnungen variieren, erwiesen sich die traditionellen SRCs als unzureichend. Gleichfalls versagten GLMs trotz der Einbeziehung weiterer relevanter Prozessgrößen wie Niederschlagsintensitäten und Abflusscharakteristika. RF und QRF stellten sich hingegen als sehr robust und für die Rekonstruktion der Sedimentdynamik geeignet dar. QRF liefert darüber hinaus auch Informationen zur Genauigkeit dieser Schätzungen. Die darauf aufbauende Analyse ergab, dass der Großteil der Sedimentfracht während der Starkregenereignisse des Spätsommers transportiert wurde. Spätere Niederschlagsereignisse erzeugten deutlich geringeren Austrag. Durch den Vergleich von Sedimentfrachten im Oberlauf mit Austragsmengen am Gebietsauslass konnte die Bedeutung der Sedimentspeicherung im Flussbett identifiziert werden. Zielstellung 4 wurde bearbeitet, indem das WASA-SED-Modell für zwei Untersuchungsgebiete in NO-Spanien unter unterschiedlichen Gesichtspunkten angewendet wurde. Für das Ribera-Salada-Einzugsgebiet lieferte das unkalibrierte Modell plausible Ergebnisse hinsichtlich der Wasser- und Sedimentflüsse. Damit war es möglich, die potentiellen Änderungen dieser Größen durch verschiedene Landnutzungsszenarien zu quantifizieren. Diese wurden den prognostizierten Veränderungen, die durch Klimaänderungen hervorgerufen würden, gegenübergestellt. Im Gegensatz dazu konzentrierte sich die Anwendung im Isábena-Einzugsgebiet auf die Untersuchung der bestmöglichen Modellanpassung. Im Validierungszeitraum ergab sich eine befriedigende Modellgüte für Wasser- und Sedimentflüsse. Diese Gesamtgüte wurde maßgeblich durch die unzureichende Abbildung der Unterliegergebiete beeinflusst, wohingegen die Gebiete des Oberlaufs, trotz ihrer stark kontrastierenden Sedimentausträge, gut dargestellt wurden. Die Anwendung des WASA-SED-Modells auf drei verschiedene Untersuchungsgebiete bestätigt die generelle Eignung des Modellkonzepts als einen sinnvollen multiskaligen Ansatz, der in einem Modell effektiv die Hangskala mit der Einzugsgebietsskala sowie den Einfluss von Flüssen und Stauseen vereint. Er stellt somit eine mögliche Grundlage für die Bearbeitung von wasser- und sedimentbezogenen Fragestellungen auf der Meso-Skala dar. Die besondere Bedeutung der Prozesse der Sickerverluste und Sedimentspeicherung im Gerinne konnten herausgearbeitet werden. Mögliche Verbesserungen betreffen die Berücksichtigung der Konnektivität von Wasser- und Sedimentflüssen (auf dem Hang, zwischen Hang und Fluss, innerhalb des Flusses) und die Qualität der Eingangsdaten für das Modell.
KW  - Erosion
KW  - Sediment
KW  - Modellierung
KW  - Spanien
KW  - Brasilien
KW  - erosion
KW  - sediment
KW  - modelling
KW  - Spain
KW  - Brazil
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-31525
ER  - 
TY  - THES
A1  - Voß, Anja
T1  - Untersuchung und Modellierung der Stickstoff- und Phosphorumsatz- und Transportprozesse in mesoskaligen Einzugsgebieten des Tieflandes am Beispiel von Nuthe, Hammerfließ und Stepenitz
T1  - Analysis and modelling of nitrogen and phosphorus transformation and transport processes in the mesoscale lowland basins Nuthe, Hammerfließ, and Stepenitz
N2  - Ziel dieser Arbeit war es, die Stickstoff- und Phosphorprozesse im nordostdeutschen Tiefland detailliert zu untersuchen und Handlungsoptionen hinsichtlich der Landnutzung zur nachhaltigen Steuerung der Stickstoff- und Phosphoreinträge in die Fließgewässer aufzuzeigen. Als Grundvoraussetzung für die Modellierung des Nährstoffhaushaltes mussten zunächst die hydrologischen Prozesse und die Abflüsse für die Einzugsgebiete validiert werden. Dafür wurde in dieser Arbeit das ökohydrologische Modell SWIM verwendet. Die Abflussmodellierung umfasste den Zeitraum 1991 - 2000. Die Ergebnisse dazu zeigen, dass SWIM in der Lage war, die hydrologischen Prozesse in den Untersuchungsgebieten adäquat wiederzugeben. Auf der Grundlage der Modellierung des Wasserhaushaltes wurden mit SWIM die Stoffumsatzprozesse für den Zeitraum 1996 - 2000 simuliert. Um dabei besonders das Prozessgeschehen im Tiefland zu berücksichtigen, war die Erweiterung von SWIM um einen Ammonium-Pool mit dessen Umsatzprozessen erforderlich. Außerdem wurde der Prozess der Nährstoffversickerung so ergänzt, dass neben Nitrat auch Ammonium und Phosphat durch das gesamte Bodenprofil verlagert und über die Abflusskomponenten zum Gebietsauslass transportiert werden können. Mit diesen Modellerweiterungen konnten die Stickstoff und Phosphorprozesse in den Untersuchungsgebieten gut abgebildet werden. Mit dem so validierten Modell wurden weitere Anwendungen ermöglicht. Nährstoffsimulationen für den Zeitraum 1981 bis 2000 dienten der Untersuchung des abnehmenden Trends in den Nährstoffkonzentrationen der Nuthe. Die Untersuchungsergebnisse lassen deutlich erkennen, dass sich die Konzentrationen nach 1990 hauptsächlich auf Grund der Reduzierung der Einträge aus punktförmigen Quellen und Rieselfeldern verringert haben. Weitere Modellrechnungen zur Herkunft der Nährstoffe haben ergeben, dass Nitrat überwiegend aus diffusen Quellen, Ammonium und Phosphat dagegen aus punktförmigen Quellen stammen. Als besonders sensitiv auf die Modellergebnisse haben sich die Parameter zu Landnutzung und -management und die Durchwurzelungstiefe der Pflanzen herausgestellt. Abschließend wurden verschiedene Landnutzungsszenarien angewendet. Die Ergebnisse zu den Szenariorechnungen zeigen, dass fast alle vorgegebenen Landnutzungsszenarien zu einer Verringerung der Stickstoff- bzw. Phosphoremissionen führten. Die Anwendung von Szenarien, die alle relevanten Zielvorgaben und Empfehlungen zum Ressourcenschutz berücksichtigen, zeigen die größten Veränderungen.
N2  - The main objective of this study was to investigate the nitrogen and phosphorus processes in the north-eastern German lowlands and to suggest sustainable management options concerning land use that could lead to a reduction in nitrogen and phosphorous emissions into the river network. In order to fulfil the basic requirements of water quality modelling on river basin scale, the hydrological processes had to be validated first. For this purpose the ecohydrological model SWIM was used. The simulations were carried out on a daily time step within the period 1991 - 2000. The results have shown that SWIM was able to reproduce adequately the hydrological processes within all investigation areas. Based on these hydrological simulations the nutrient processes were modelled with SWIM for the time period 1996 - 2000. It became obvious that the modelling approaches within SWIM, especially concerning the nutrient cycling processes in lowland watersheds, had to be modified. Thus, an ammonium pool including its transformations processes was added. In addition, leaching not only of nitrate but also of ammonium and phosphate throughout the whole soil profile is now possible. Thus all nutrients can be transported to the outlet of the watersheds by the flow components. It could be shown that with these modifications the model was able to reproduce well the nitrogen and phosphorus processes in the research areas. With the validated model further applications were enabled. In order to investigate the reason for the decreasing trend in the nutrient concentrations in the Nuthe River, nutrient simulations were performed for the period 1981 - 2000. The results show that the concentrations after 1990 have decreased mainly because of the reduction of emissions from point sources and sewage fields. Further simulations in order to gain more information about the different nutrient sources showed that nitrate basically originates from diffuse sources and ammonium as well as phosphorus from point sources. Especially parameters related to land use and management as well as the root depth of plants turned out to be very sensitive to model results. Concluding, different land use change scenarios were adapted. The calculation results demonstrate that almost all provided scenarios lead to a reduction in the emission rates. Applying those scenarios which consider all relevant aims and recommendations concerning the protection of resources the highest changing rates could be achieved.
KW  - Wasserqualität
KW  - Modellierung
KW  - Nährstoffe
KW  - diffuse Belastung
KW  - Landnutzung
KW  - water quality
KW  - modeling
KW  - nutrients
KW  - diffuse pollution
KW  - land use
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15481
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kneis, David
T1  - A water quality model for shallow river-lake systems and its application in river basin management
T1  - Ein Wassergütemodell für flache See-Fluss-Systeme und dessen Anwendung in der Einzugsgebietsbewirtschaftung
N2  - 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.
N2  - Die vorliegende Arbeit dokumentiert Konzept und Anwendung eines Modells zur Simulation von Stofftransport und -umsatz in Flüssen und Flachseen. Das Simulationswerkzeug TRAM wurde als Ergänzung zu mesoskaligen Wasser- und Stoffhaushaltsmodellen konzipiert, um die Beschaffenheit einzelner Wasserkörper auf dieser räumlichen Skala in adequater Weise abbilden zu können. Dieser Aufgabenstellung kommt im Zuge der Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) besondere Bedeutung zu. Das entwickelte Simulationsmodell TRAM setzt sich aus einem Transport- und einem Reaktionsmodell zusammen. Letzteres zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Beschreibung gewässerinterner Stoffumsatzprozesse aus. Es können mit geringem Aufwand unterschiedlich komplexe Ansätze der Prozessbeschreibung getestet und die - je nach Problemstellung, Systemverständnis und Datenverfügbarkeit - angemessene Modellformulierung gewählt werden. TRAM eignet sich somit gleichermaßen für stark vereinfachende Ingenieur-Anwendungen wie für wissenschaftliche Analysen, die komplexe aquatische Ökosystemmodelle mit einer Vielzahl an Zustandsvariablen, Interaktionen und Randbedingungen erfordern. Weitere Charakteristika von TRAM sind die Koppelbarkeit mit öko-hydrologischen Einzugsgebietsmodellen sowie einem hydrodynamischen Modell, die Unterstützung von Modellparametrisierung und Visualisierungen durch Geografische Informationssysteme (GIS) und ein klar strukturiertes Daten-Management. TRAM wurde im Rahmen des BMBF-geförderten Forschungsprojekts 'Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel' entwickelt. Gegenstand dieses Projektes war die Analyse von Handlungsoptionen zur Verminderung von Nährstoffeinträgen in die Oberflächengewässer des Havel-Einzugsgebiets als Beitrag zur Erreichung der Ziele der WRRL. Mit dem Einsatz von TRAM wurden zwei Zielstellungen verfolgt: In einem ersten Schritt wurden Bedeutung und Muster der gewässerinternen Stickstoff-Retention sowie der Phosphor-Freisetzung aus See-Sedimenten quantifiziert (Systemanalyse). Auf dieser Basis konnten vereinfachte, konzeptionelle Ansätze zur Beschreibung von N-Retention und P-Remobilisierung abgeleitet werden. In einem zweiten Schritt wurden, unter Nutzung dieser Ansätze, die Auswirkungen verringerter externer Nährstoffeinträge auf gewässerinterne N- und P-Konzentrationen simuliert (Szenario-Analysen) und die Unsicherheiten der Modellrechnungen untersucht. Als Randbedingungen für die Szenario-Analysen dienten Simulationsergebnisse der öko-hydrologischen Einzugsgebietsmodelle SWIM und ArcEGMO, welche durch Projektpartner zur Verfügung gestellt wurden. Die mittels TRAM berechneten Nährstoffkonzentrationen bildeten schließlich die Grundlage für eine Evaluierung der Handlungsoptionen anhand einer gewässertypspezifischen, WRRL-konformen Bewertungsskala. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Zielvorgabe der WRRL bezüglich Gesamt-Phosphor im Falle der Unteren Havel mittelfristig erreicht werden kann, wenn das Potential zur Senkung der Einträge aus punktförmigen und diffusen Quellen voll ausgeschöpft wird. Weiterhin kann im Zeitraum bis 2015 bereits mit einem merklichen Nachlassen der internen Phosphat-Freisetzung aufgrund einer Aushagerung der Sedimente gerechnet werden. Mit Hilfe von Massenbilanzierungen ließ sich zeigen, dass die Havelseen eine bedeutende Stickstoff-Senke darstellen. Dieser natürliche Retentionseffekt unterstützt wesentlich die Bemühungen zur Verminderung der Stickstoff-Belastung. Im Sinne einer nachhaltigen Verbesserung der Wassergüte der Unteren Havel erscheinen verstärkte Anstrengungen zur weiteren Reduzierung sowohl der Phosphor- als auch der Stickstoff-Emissionen geboten.
KW  - Wassergüte
KW  - Modellierung
KW  - Nährstoffe
KW  - Fluss-Seen
KW  - Management
KW  - water quality
KW  - modeling
KW  - nutrients
KW  - river-lake systems
KW  - management
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14647
ER  - 
TY  - THES
A1  - Voß, Frank
T1  - Integrierte Modellierung von Durchflussdynamik und salinarer Stofftransportprozesse unter Berücksichtigung anthropogener Steuerungen am Beispiel der Unstrut
T1  - Integrated modelling of flow discharge and saline solute transport processes under consideration of anthropogenic management strategies in the Unstrut river basin
N2  - Durch die Stilllegung der Kali-Gewinnung und -Produktion zwischen 1990 und 1993 sowie die begonnene Rekultivierung der Kali-Rückstandshalden haben sich die Salzfrachteintragsbedingungen für die Fließgwewässer im "Südharz-Kalirevier" in Thüringen zum Teil deutlich verändert. Aufgrund erheblich geringerer Salzeinträge in die Vorfluter Wipper und Bode ist es möglich geworden, zu einer ökologisch verträglichen Salzfrachtsteuerung überzugehen. Die Komplexität der zugrunde liegenden Stofftransportprozesse im Einzugsgebiet der Wipper macht es jedoch unumgänglich, den Steuerungsvorgang nicht nur durch reine Bilanzierungsvorgänge auf der betrachteten Steuerstrecke zu erfassen (so wie bisher praktiziert), sondern auch die Abflussdynamik im Fließgewässer und den Wasserhaushalt im Gebiet mit einzubeziehen.  Die Ergebnisse dieser Arbeit dienen zum einen einer Vertiefung der Prozessverständnisse und der Interaktion von Wasserhaushalt, Abflussbildung sowie Stofftransport in bergbaubeeinflussten Einzugsgebieten am Beispiel der Unstrut bzw. ihrer relevanten Nebenflüsse. Zum anderen sollen sie zur Analyse und Bewertung eines Bewirtschaftungsplanes für die genannten Fließgewässer herangezogen werden können. Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines prognosetauglichen Steuerungsinstrumentes, das für die Bewirtschaftung von Flusseinzugsgebieten unterschiedlicher Größe genutzt und unter den Rahmenbedingungen der bergbaubedingten salinaren Einträge effektiv zur Steuerung der anthropogenen Frachten eingesetzt werden kann.  Die Quellen der anthropogen eingeleiteten Salzfracht sind vor allem die Rückstandshalden der stillgelegten Kaliwerke. Durch Niederschläge entstehen salzhaltige Haldenabwässer, die zum Teil ungesteuert über oberflächennahe Ausbreitungsvorgänge direkt in die Vorfluter gelangen, ein anderer Teil wird über die Speichereinrichtungen gefasst und gezielt abgestoßen. Durch Undichtigkeiten des Laugenstapelbeckens in Wipperdorf gelangen ebenfalls ungesteuerte Frachteinträge in die Wipper. Ein weiterer Eintragspfad ist zudem die geogene Belastung.  Mit Hilfe detaillierter Angaben zu den oben genannten Eintragspfaden konnten Modellrechnungen im Zeitraum von 1992 bis 2003 durchgeführt werden. Durch die Ausarbeitung eines neuartigen Steuerungskonzeptes für das Laugenstapelbecken Wipperdorf, war es nun möglich, die gefasste Haldenlauge entsprechend der aktuellen Abflusssituation gezielt abstoßen zu können. Neben der modelltechnischen Erfassung der aktuellen hydrologischen Situation und der Vorgabe eines Chlorid-Konzentrationssteuerzieles für den Pegel Hachelbich, mussten dabei weitere Randbedingungen (Beckenkapazität, Beckenfüllstand, Mindestfüllstand, Kapazität des Ableitungskanals, usw.) berücksichtigt werden.  Es zeigte sich, dass unter Anwendung des Steuerungskonzeptes die Schwankungsbreite der Chloridkonzentration insgesamt gesehen deutlich verringert werden konnte. Die Überschreitungshäufigkeiten bezüglich eines Grenzwertes von 2 g Chlorid/l am Pegel Hachelbich fielen deutlich, und auch die maximale Dauer einer solchen Periode konnte stark verkürzt werden. Kritische Situationen bei der modelltechnischen Frachtzusteuerung traten nur dann auf, wenn Niedrigwasserverhältnisse durch die Simulationsberechnungen noch unterschätzt wurden. Dies hatte deutliche Überschreitungen der Zielvorgaben für den Pegel Hachelbich zur Folge.  Mit Hilfe des Steuerungsalgorithmus konnten desweiteren auch Szenarienberechnungen durchgeführt werden, um die Auswirkungen zukünftig zu erwartender Salzfrachten näher spezifizieren zu können. Dabei konnte festgestellt werden, dass Abdichtungsmaßnahmen der Haldenkörper sich direkt positiv auf die Entwicklung der Konzentration in Hachelbich auswirkten. Durch zusätzlich durchgeführte Langzeitszenarien konnte darüber hinaus nachgewiesen werden, dass langfristig eine Grenzwertfestlegung auf 1,5 g Chlorid/l in Hachelbich möglich ist, und die Stapelkapazitäten dazu ausreichend bemessen sind.
N2  - As a consequence of general closure and conversion of potash-industries between the years 1990 and 1993 and due to the beginning of recultivation activities on the potash stockpiles the load of dissolved potassium salt of rivers in the "Südharz-Kalirevier" in the German federal state of Thuringia has considerably changed. The extremely decreased salt inputs into the tributaries of Wipper and Bode were accompanied by a change in salt load management towards a system controlled with respect to river ecology. Due to the high complexity of salt transport processes in the Wipper catchment, the existing operation rules cannot comply with the present requirements, so that a comprehensive knowledge of water balance processes and river flow dynamics have to be included in management strategies.  On the one hand this investigation aims to analyse the processes and the interaction of water balance, runoff generation and solute transport in catchment areas influenced by salt mining activities such as the case in the river Unstrut and its relevant tributaries. On the other hand the results of this study can help to analyse and assess sustainable management plans for the above mentioned river basins. Thus the main objective of this study is to develop an integrated, predictive management tool, that can be applied for catchment areas of different spatial scales and for the effective use of controlled discharge of anthropogenic salt solution taking into account the basic input conditions from salt mining activities.  The most important sources of anthropogenic salt inputs into the river stream are the salt loads from the potash stockpiles near the disused mines. Due to usual precipitation salt solution leaches from the stockpiles, which partly reaches the river streams uncontrolled by lateral interflow processes. Another part is being gathered in reservoirs and than discharged according to special system operation rules. As well dissolved salt loads comes into the Wipper by leakage processes out of the reservoir in Wipperdorf. Furthermore geogenic input is another important emission pathway.  With detailed information about these different emission pathways, model simulations were performed within the period from 1992 to 2003. After the technical implementation of a new management strategy for the reservoir in Wipperdorf, now it was possible to push off the stored lye according to the actual runoff situation in the river stream. Beside a fully modell aided description of the whole actual hydrological situtation and provided control values for chloride concentration at the gauging station in Hachelbich, also other boundary conditions had to be considered for this purpose (such as reservoir capacity, actual fill level, minimum fill level, drain capacity etc.).  It turned out, that the application of the new management strategy led to a clear decreased range in chloride concentration. Frequencies of exceeding a critical value of 2 g chloride/l at gauging station in Hachelbich enormously declined and the maximum duration of such periods could rigorously be shortened. Particluar critical situations in calculating potential lye discharge only occured when measured flow discharge was underestimated through model simulations. In this case control values for the gauging station in Hachelbich could not be achieved.  With this new management tool scenario simulations were executed to analyse the effects of expected amounts of lye in future. These theoretical studies showed the decreasing trend in chloride concentration if restorations measures at the stockpiles would be continued. Longterm scenario runs also showed, that a threshold value of 1,5 g chloride/l in Hachelbich could be achieved and existing storage capacities therefor will be sufficiently dimensioned.
KW  - Hydrologie
KW  - Modellierung
KW  - Wasserhaushalt
KW  - Stoffhaushalt
KW  - Durchflussdynamik
KW  - Stofftransport
KW  - integrierte hydrologische Modellierung
KW  - Salzfrachtsteuerung
KW  - integrated modelling
KW  - flow discharge
KW  - solute transport
KW  - salt load management
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6403
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hattermann, Fred Fokko
T1  - Integrated modelling of Global Change impacts in the German Elbe River Basin
T1  - Integrierte Modellierung der Auswirkungen des Globalen Wandels auf den deutschen Teil des Elbeinzugsgebietes
N2  - The scope of this study is to investigate the environmental change in the German part of the Elbe river basin, whereby the focus is on two water related problems: having too little water and having water of poor quality.  The Elbe region is representative of humid to semi-humid landscapes in central Europe, where water availability during the summer season is the limiting factor for plant growth and crop yields, especially in the loess areas, where the annual precipitation is lower than 500 mm. It is most likely that water quantity problems will accelerate in future, because both the observed and the projected climate trend show an increase in temperature and a decrease in annual precipitation, especially in the summer. Another problem is nutrient pollution of rivers and lakes. In the early 1990s, the Elbe was one of the most heavily polluted rivers in Europe. Even though nutrient emissions from point sources have notably decreased in the basin due to reduction of industrial sources and introduction of new and improved sewage treatment facilities, the diffuse sources of pollution are still not sufficiently controlled.  The investigations have been done using the eco-hydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model), which has been embedded in a model framework of climate and agro-economic models. A global scenario of climate and agro-economic change has been regionalized to generate transient climate forcing data and land use boundary conditions for the model. The model was used to transform the climate and land use changes into altered evapotranspiration, groundwater recharge, crop yields and river discharge, and to investigate the development of water quality in the river basin. Particular emphasis was given to assessing the significance of the impacts on the hydrology, taking into account in the analysis the inherent uncertainty of the regional climate change as well as the uncertainty in the results of the model.  The average trend of the regional climate change scenario indicates a decrease in mean annual precipitation up to 2055 of about 1.5 %, but with high uncertainty (covering the range from -15.3 % to +14.8 %), and a less uncertain increase in temperature of approximately 1.4 K. The relatively small change in precipitation in conjunction with the change in temperature leads to severe impacts on groundwater recharge and river flow. Increasing temperature induces longer vegetation periods, and the seasonality of the flow regime changes towards longer low flow spells in summer. As a results the water availability will decrease on average of the scenario simulations by approximately 15 %. The increase in temperatures will improve the growth conditions for temperature limited crops like maize. The uncertainty of the climate trend is particularly high in regions where the change is the highest.  The simulation results for the Nuthe subbasin of the Elbe indicate that retention processes in groundwater, wetlands and riparian zones have a high potential to reduce the nitrate concentrations of rivers and lakes in the basin, because they are located at the interface between catchment area and surface water bodies, where they are controlling the diffuse nutrient inputs. The relatively high retention of nitrate in the Nuthe basin is due to the long residence time of water in the subsurface (about 40 years), with good conditions for denitrification, and due to nitrate retention and plant uptake in wetlands and riparian zones.  The concluding result of the study is that the natural environment and communities in parts of Central Europe will have considerably lower water resources under scenario conditions. The water quality will improve, but due to the long residence time of water and nutrients in the subsurface, this improvement will be slower in areas where the conditions for nutrient turn-over in the subsurface are poor.
N2  - Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Auswirkungen des Globalen Wandels auf den Wasserkreislauf im deutschen Teil des Elbeeinzugsgebietes. Der Fokus liegt dabei auf Wassermengen- und Wasserqualitätsproblemen.  Die Elbe liegt im Zentrum Europas im Übergangsbereich zwischen ozeanischen und kontinentalen Klimaten, wo die Wasserverfügbarkeit in den Sommermonaten den limitierenden Faktor für das Pflanzenwachstum und die landwirtschaftlichen Erträge bildet. Dies gilt insbesondere für die Lössgebiete im Lee des Harzes, wo die jährlichen Niederschläge unter 500 mm liegen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sich die Wassermengenprobleme in Zukunft noch verstärken werden, denn sowohl das beobachtete als auch das für die Zukunft projizierte Klima in der Region zeigen höhere Temperaturen und fallende Niederschläge, besonders im Sommer. Ein weiteres Problem ist die hohe Nährstoffbelastung der Flüsse und Seen im Elbeeinzugsgebiet. Anfang der neunziger Jahre war die Elbe eine der am stärksten belasteten Flüsse in Europa. Obwohl die Einträge besonders aus Punktquellen durch den Rückgang der Industrie und den Bau von neuen Kläranlagen seitdem gefallen sind, gelangen trotzdem noch große Nährstoffmengen aus diffusen Quellen in die Gewässer.  Die Untersuchungen wurden unter Anwendung des ökohydrologischen Modells SWIM (Soil and Water Integrated Model) durchgeführt, welches über Schnittstellen mit Klimamodellen und agroökonomischen Modellen verbunden wurde. Ein globales Szenario des Klimawandels und des landwirtschaftlichen Wandels wurde regionalisiert, um so die geänderten Randbedingungen für den Szenarienzeitraum zu erhalten. Simulationen mit SWIM dienten dann dazu, die geänderten Randbedingungen in Änderungen im Wasserhaushalt und in den landwirtschaftlichen Erträgen zu transformieren. Außerdem wurde das Langzeitverhalten von Nährstoffen im Untersuchungsgebiet modelliert. Besonderer Wert wurde dabei darauf gelegt, die Unsicherheit der Szenarienergebnisse zu quantifizieren.  Der mittlere Szenarientrend zeigt eine Reduzierung der mittleren jährlichen Niederschläge bis zum Jahre 2055 um ungefähr 1.5 %, wobei die Ergebnisse mit einer großen Unsicherheit behaftet sind: die Spannweite der Niederschläge in den Szenarienrealisationen liegt zwischen -15.3 % und +14.8 %. Die Erwärmung unter Szenarienbedingungen mit ungefähr 1.4 K ist weniger unsicher. Diese relativ geringen Änderungen habe starke Auswirkungen auf den Wasserhaushalt im Elbegebiet: durch die steigenden Temperaturen wird die Vegetationszeit verlängert, und die Niedrigabflussperiode im Sommer wird sich in den Herbst ausdehnen. Insgesamt wird unter dem mittleren Szenarientrend die Wasserverfügbarkeit um ca. 15 % abnehmen. Außerdem werden sich durch die steigenden Temperaturen die Anbaubedingungen für wärmeliebende Ackerfrüchte in der Landwirtschaft verbessern. Die Unsicherheit des Klimatrends ist dort am größten, wo auch die lokalen Änderungen am größten sind.  Die Simulationsergebnisse für das Nuthe-Teileinzugsgebiet der Elbe zeigen, das Retentionsprozesse im Untergrund und in den Feucht- und Auengebieten einen starken Einfluss auf die Wasserqualität und die Nitratkonzentration der Oberflächengewässer haben, da sie durch ihre Lage im Einzugsgebiet eine Schnittstelle zwischen dem umliegenden Einzugsgebiet und den Flüssen und Seen bilden. Die relativ hohe Umsetzung von Nitrat im Einzugsgebiet der Nuthe kann dadurch erklärt werden, dass Nitrat eine relativ lange Aufenthaltszeit im Grundwasser (im Mittel 40 Jahre) mit einer hohen Nitratumsetzungsrate hat, und durch die guten Denitrifizierungsbedingungen in den Feucht- und Auengebieten. Dazu kommt noch, dass große Nitratmengen durch die Pflanzen in den Feuchtgebieten aus dem Grundwasser aufgenommen werden.  Zusammenfassend kann man sagen, das sich die Ökosysteme und die Gesellschaft im Elbeeinzugsgebiet unter Szenarienbedingungen auf niedrigere Wasserverfügbarkeit einstellen müssen. Die Wasserqualität wird sich grundsätzlich zwar weiter verbessern, aber aufgrund der langen Verweilzeit der Nährstoffe im Grundwasser wird dies insbesondere in den Teileinzugsgebieten, in denen die geochemischen Bedingungen für einen hohen Nährstoffumsatz nicht gegeben sind, noch relativ lange dauern.
KW  - Hydrologie
KW  - Modellierung
KW  - Einzugsgebiet
KW  - Mathematisches Modell
KW  - Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung
KW  - integrierte hydrologische Modellierung
KW  - Klimaänderung
KW  - Wasserqualität
KW  - Landnutzungsänderung
KW  - Ertragsänderung
KW  - integrated hydrolocal modelling
KW  - climate change impacts
KW  - water quality
KW  - land use change
KW  - ecohydrology
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6052
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sempf, Mario
T1  - Nichtlineare Dynamik atmosphärischer Zirkulationsregime in einem idealisierten Modell
T1  - Nonlinear dynamics of atmospheric circulation regimes in an idealized model
N2  - Unter atmosphärischen Zirkulationsregimen versteht man bevorzugte quasi-stationäre Zustände der atmosphärischen Zirkulation auf der planetaren Skala, die für eine bis mehrere Wochen persistieren können. Klimaänderungen, ob natürlich entstanden oder anthropogen verursacht, äußern sich in erster Linie durch Änderungen der Auftrittswahrscheinlichkeiten der natürlichen Regime.  In der vorliegenden Arbeit wurden dynamische Mechanismen des Regimeverhaltens und der dekadischen Klimavariabilität der Atmosphäre bei Abwesenheit zeitlich veränderlicher externer Einflussfaktoren untersucht. Das Hauptwerkzeug dafür war ein quasi-geostrophisches Dreischichtenmodell der winterlichen atmosphärischen Zirkulation auf der Nordhemisphäre, das eine spektrale T21-Auflösung, einen orographischen und einen zeitlich konstanten thermischen Antrieb mit nicht-zonalen Anteilen besitzt. Ein solches Modell vermag großskalige atmosphärische Strömungsvorgänge außerhalb der Tropen mit einiger Genauigkeit zu simulieren. Nicht berücksichtigt werden Feuchteprozesse, die Wechselwirkung der Atmosphäre mit anderen Teilen des Klimasystems sowie anthropogene Einflüsse.  Für das Dreischichtenmodell wurde ein automatisiertes, iteratives Verfahren zur Anpassung des thermischen Modellantriebs neu entwickelt. Jede Iteration des Verfahrens besteht aus einer Testintegration des Modells, ihrer Auswertung, dem Vergleich der Ergebnisse mit den NCEP-NCAR-Reanalysedaten aus den Wintermonaten Dezember, Januar und Februar sowie einer auf diesem Vergleich basierenden Antriebskorrektur. Nach Konvergenz des Verfahrens stimmt das Modell sowohl bezüglich des zonal gemittelten Klimazustandes als auch bezüglich der zeitgemittelten nicht-zonalen außertropischen diabatischen Erwärmung nahezu perfekt mit den wintergemittelten Reanalysedaten überein.  In einer 1000-jährigen Simulation wurden die beobachtete mittlere Zirkulation im Winter sowie ihre Variabilität realitätsnah reproduziert, insbesondere die Arktische Oszillation (AO) und ihre vertikale Ausdehnung. Der AO-Index des Modells weist deutliche dekadische Schwankungen auf, die allein durch die interne Modelldynamik bedingt sind. Darüber hinaus zeigt das Modell ein Regimeverhalten, das gut mit den Beobachtungsdaten übereintimmt. Es besitzt ein Regime, das in etwa der negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO) entspricht und eines, das der positiven Phase der AO ähnelt.  Eine weit verbreitete Hypothese ist die näherungsweise Übereinstimmung zwischen Regimen und stationären Lösungen der Bewegungsgleichungen. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Hypothese für das Dreischichtenmodell überprüft, mit negativem Resultat. Es wurden mittels eines Funktionalminimierungsverfahrens sechs verschiedene stationäre Zustände gefunden. Diese sind allesamt durch eine äußerst unrealistische Zirkulation gekennzeichnet und sind daher weit vom Modellattraktor entfernt. Fünf der sechs Zustände zeichnen sich durch einen extrem starken subtropischen Jet in der mittleren und obereren Modellschicht aus.  Da die Ursache des Regimeverhaltens des Dreischichtenmodells nach wie vor unklar war, wurde auf ein einfacheres Modell, nämlich ein barotropes Modell mit T21-Auflösung zurückgegriffen. Für die Anpassung des Oberflächenantriebs wurde eine modifizierte Form der iterativen Prozedur verwendet. Die zeitgemittelte Zirkulation des barotropen Modells stimmt sehr gut mit der zeitlich und vertikal gemittelten Zirkulation des Dreischichtenmodells überein. Das dominierende räumliche Muster der Variabilität besitzt eine AO-ähnliche Struktur. Zudem besitzt das barotrope Modell zwei Regime, die näherungsweise der positiven und negativen Phase der AO entsprechen und somit auch den Regimen des Dreischichtenmodells ähneln. Im Verlauf der Justierung des Oberflächenantriebs konnte beobachtet werden, dass die zwei Regime des barotropen Modells durch die Vereinigung zweier koexistierender Attraktoren entstanden. Der wahrscheinliche Mechanismus der Attraktorvereinigung ist eine Randkrise eines der beiden Attraktoren, gefolgt von einer explosiven Bifurkation des anderen Attraktors.  Es wird die Hypothese aufgestellt, dass der beim barotropen Modell vorgefundene Mechanismus der Regimeentstehung für atmosphärische Zirkulationsmodelle mit realitätsnahem Regimeverhalten Allgemeingültigkeit besitzt. Gestützt wird die Hypothese durch vier Experimente mit dem Dreischichtenmodell, bei denen jeweils der Parameter der Bodenreibung verringert und die Antriebsanpassung wiederholt wurde. Bei diesen Experimenten erhöhte sich die Persistenz und die Separiertheit der Regime bei abnehmender Reibung drastisch und damit auch der Anteil dekadischer Zeitskalen an der Variabilität. Die Zunahme der Persistenz der Regime ist charakteristisch für die Annäherung an eine inverse innere Krise, deren Existenz aber nicht nachgewiesen werden konnte.
N2  - Preferred quasi-stationary states of the planetary-scale atmospheric circulation, which may persist for one or several weeks, are referred to as atmospheric circulation regimes. Climate variations, either natural or anthropogenic, manifest themselves mainly in changes of the frequencies of occurrence of the natural regimes.  In the presented work, dynamical mechanisms of regime behavior and decadal climate variability of the atmosphere in absence of time-varying external forcing factors have been examined using a quasi-geostrophic three-level model of the wintertime atmospheric circulation over the northern hemisphere. This model has spectral T21 resolution, an orographic and a time-constant thermal forcing including non-zonal components. Such kind of a model is able to simulate large-scale extratropical atmospheric processes with reasonable accuracy. However, moisture processes, the interaction between the atmosphere and other parts of the climate system, and anthropogenic influences are not accounted for.  For the three-level model, a novel, automated, iterative procedure for the tuning of the thermal forcing has been developed. Every iteration of the procedure consists of a model test run, its evaluation, the comparison of the results with NCEP-NCAR reanalysis data for the winter months December, January, and February, and a forcing correction based on this comparison. After convergence of the procedure, the model matches the reanalysis data almost perfectly, as far as it concerns the zonal mean climate state and the time-mean non-zonal extratropical diabatic heating.  In a 1000-year simulation, the observed time-mean circulation in winter as well as its variability have been reproduced with considerable realism, in particular the Arctic Oscillation (AO) and its deep vertical extent. The modeled AO index exhibits pronounced decadal variations, exclusively caused by internal model dynamics. Furthermore, the model's regime behavior is in good agreement with observations. It possesses one regime resembling the negative phase of the North Atlantic Oscillation (NAO) and another resembling the positive phase of the AO.  A well-known hypothesis is the approximate correspondence between regimes and stationary solutions of the equations of motion. In the presented work, this hypothesis has been checked for the three-level model, but with negative result. Using a functional minimization method, six steady states have been found. All of them correspond to an extremely unrealistic circulation, and thus they are far away from the model's attractor. Five of the six steady states are characterized by a strongly exaggerated subtropical jet in the middle and upper model level.  As the origin of regime behavior was still unclear, a simpler model, namely a T21 barotropic model, has been reverted to. For the adaptation of the surface forcing, a modified version of the tuning procedure has been applied. The time-mean circulation of the barotropic model matches the temporally and vertically averaged circulation of the three-level model very well. The dominant spatial pattern of variability has an AO-like structure. Furthermore, the barotropic model possesses two regimes which approximately correspond to the positive and negative AO phase and therefore resemble the regimes of the three-level model. During the tuning of the surface forcing it has been observed that the two regimes of the barotropic model have emerged from the unification of two coexisting attractors. The mechanism responsible for this attractor merging is probably a boundary crisis of one of these attractors, followed by an explosive bifurcation of the other attractor.  It is hypothesized that the mechanism of regime genesis found in the barotropic model is universally valid for atmospheric circulation models with realistic regime behavior. This hypothesis is supported by four experiments with the three-level model, where the surface friction parameter has been decreased and the tuning procedure has been repeated, respectively. In these experiments, the persistence and separation of the regimes increases dramatically with decreasing friction, and thereby the fraction of decadal-scale variability. The increase of regime persistence is characteristic of approaching an inverse interior crisis, the existence of which, however, could not be proven.
KW  - Nichtlineare Dynamik
KW  - Modellierung
KW  - Atmosphärendynamik
KW  - Zirkulationsregime
KW  - dekadische Klimavariabilität
KW  - quasi-geostropisches Modell
KW  - atmospheric dynamics
KW  - circulation regimes
KW  - decadal climate variability
KW  - quasi-geostrophic model
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5989
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rossmanith, Eva
T1  - Breeding biology, mating system and population dynamics of the Lesser Spotted Woodepcker (Picoides minor) : combining empirical and model investigations
T1  - Zu Brutbiologie, Paarungssystem und Populationsdynamik des Kleinspechts (Picoides minor) : Verknüpfung von empirischen Untersuchungen mit ökologischer Modellierung
N2  - The protection of species is one major focus in conservation biology. The basis for any management concept is the knowledge of the species autecology. In my thesis, I studied the life-history traits and population dynamics of the endangered Lesser Spotted Woodpecker (Picoides minor) in Central Europe. Here, I combine a range of approaches, from empirical investigations of a Lesser Spotted Woodpecker population in the Taunus low mountain range in Germany, the analysis of empirical data and the development of an individual-based stochastic model simulating the population dynamics. In the field studies I collected basic demographic data of reproductive success and mortality. Moreover, breeding biology and behaviour were investigated in detail. My results showed a significant decrease of the reproductive success with later timing of breeding, caused by deterioration in food supply. Moreover, mate fidelity was of benefit, since pairs composed of individuals that bred together the previous year started earlier with egg laying and obtained a higher reproductive success. Both sexes were involved in parental care, but the care was only shared equally during incubation and the early nestling stage. In the late nestling stage, parental care strategies differed between sexes: Females considerably decreased feeding rate with number of nestlings and even completely deserted small broods. Males fed their nestlings irrespective of brood size and compensated for the females absence. The organisation of parental care in the Lesser Spotted Woodpecker is discussed to provide the possibility for females to mate with two males with separate nests and indeed, polyandry was confirmed. To investigate the influence of the observed flexibility in the social mating system on the population persistence, a stochastic individual-based model simulating the population dynamics of the Lesser Spotted Woodpecker was developed, based on empirical results. However, pre-breeding survival rates could not be obtained empirically and I present in this thesis a pattern-oriented modelling approach to estimate pre-breeding survival rates by comparing simulation results with empirical pattern of population structure and reproductive success on population level. Here, I estimated the pre-breeding survival for two Lesser Spotted Woodpecker populations on different latitudes to test the reliability of the results. Finally, I used the same simulation model to investigate the effect of flexibility in the mating system on the persistence of the population. With increasing rate of polyandry in the population, the persistence increased and even low rates of polyandry had a strong influence. Even when presuming only a low polyandry rate and costs of polyandry in terms of higher mortality and lower reproductive success for the secondary male, the positive effect of polyandry on the persistence of the population was still strong. This thesis greatly helped to increase the knowledge of the autecology of an endangered woodpecker species. Beyond the relevance for the species, I could demonstrate here that in general flexibility in mating systems are buffer mechanisms and reduce the impact of environmental and demographic noise.
N2  - Der Schutz von Arten ist eine der Hauptaufgaben des Naturschutzes. Für die Erstellung von Schutzkonzepten sind Informationen zur Autökologie der Zielart notwendige Voraussetzung. Der Kleinspecht (Picoides minor) ist in vielen Teilen seines Verbreitungsgebietes bestandsbedroht, das Wissen zur Biologie und Verhalten der Art ist jedoch lückenhaft. Ziel meiner Arbeit war es daher, demographische Parameter der Populationsdynamik des Kleinspechts zu erfassen, die als Grundlage für Populationsgefährdungsanalysen benötigt werden. Da Untersuchungen in Schweden eine gewisse Flexibilität im Paarungssystem des Kleinspechts zeigten, sollte darüber hinaus das Paarungssystem und sein Einfluss auf die Persistenz der Population untersucht werden. Die Arbeit umfasste eine Reihe von methodischen Ansätzen, von empirischen Untersuchungen an einer Kleinspechtpopulation im hessischen Vordertaunus über die Aufbereitung von empirischen Daten bis hin zur Entwicklung und Auswertung eines stochastischen individuenbasierten Modells zur Simulation der Populationsdynamik. Die Ergebnisse der empirischen Untersuchung zeigten eine Abnahme des Reproduktionserfolgs mit fortschreitendem Legebeginn. Die Zusammensetzung der Nestlingsnahrung ließ vermuten, dass dies durch eine Verschlechterung der Nahrungsversorgung begründet war. Paartreue war bei der Reproduktion von Vorteil, da Individuen, die schon im vorherigen Jahr zusammen gebrütet hatten, einen früheren Legebeginn und damit einen höheren Fortpflanzungserfolg aufwiesen als neu formierte Paare. Beide Geschlechter investierten in die Brutpflege, jedoch war die Aufteilung nur während der Bebrütung der Eier und in der ersten Hälfte der Nestlingsperiode gleichmäßig. In der späten Nestlingsperiode konnten geschlechtsspezifische Strategien im elterlichen Investment identifiziert werden: die Weibchen verringerten die Versorgungsrate in Abhängigkeit des Wertes der Brut - gemessen in der Zahl der Nestlinge - und gaben die Versorgung kleiner Bruten ganz auf. Die Männchen dagegen kompensierten dieses Verhalten, so dass auch von den Weibchen verlassene Bruten erfolgreich waren. Interessanterweise konnte mehrmals die Verpaarung von einem Weibchen mit zwei Männchen beobachtet werden. Das Auftreten dieses polyandrischen Paarungssystems wird in der Arbeit als Resultat der Aufteilung der Brutpflege diskutiert.  Die bestätigte Flexibilität im Paarungssystem könnte Einfluss auf die Persistenz der Population haben. Die Persistenz von Populationen kann jedoch nicht empirisch gemessen werden. Daher entwickelte ich ein individuen-basiertes stochastisches Modell zur Simulation der Populationsdynamik des Kleinspechts, dass auf den empirischen Daten basiert. Allerdings fehlten Überlebensraten der ausgeflogenen Jungvögel, die im Feld nicht ermittelt werden kann. Daher testete ich hier eine Methode, die durch den Vergleich von Simulationsergebnissen mit eigenen empirischen Daten zur Populationsstruktur und zum Reproduktionserfolg auf der Ebene der Gesamtpopulation die Überlebensrate der Jungvögel abschätzt. Die Überlebensraten wurde zusätzlich für eine Population des Kleinspechtes ermittelt, deren Datengrundlage aus Freilandstudien in Schweden stammten. Durch den Vergleich der Raten für die beiden Populationen konnte die Aussagefähigkeit des Modells und die Güte der Abschätzungen untersucht werden. Im letzten Teil meiner Arbeit nutzte ich das Modell schließlich, um die Auswirkungen des Paarungssystems auf die Überlebensfähigkeit der Population zu untersuchen. Im Modell konnte ein Weibchen polyandrisch sein, wenn es gute Brutbedingungen hatte und das Geschlechterverhältnis zum Männchen hin verschoben war. Zusätzlich variierte ich die Wahrscheinlichkeit, dass unter diesen Umständen Polyandrie auftritt. Im Model wurden 3 Szenarien getestet: (i) strenge Monogamie, (ii) gelegentliche Polyandrie und (iii) gelegentliche Polyandrie unter der Annahme von Kosten für das sekundäre Männchen in Form von höherer Mortalität und geringerem Reproduktionserfolg. Es zeigte sich, dass selbst sehr geringe Polyandrieraten und die Annahme von Kosten noch einen deutlichen positiven Einfluss auf die Persistenz der Population ausüben. Die Flexibilität im Paarungssystem dient damit als Puffermechanismus gegen demographisches Rauschen und Umweltrauschen.  Diese Arbeit trät dazu bei, die Autökologie des Kleinspechts besser zu verstehen und ist damit wichtige Grundlage für Schutzkonzepte in Mitteleuropa. Über die artspezifische Bedeutung hinaus, leistet die Arbeit einen Beitrag zur Untersuchung von Methoden zur Abschätzung fehlender demographischer Parameter sowie zur Identifizierung von Puffermechanismen. Eine wichtige Schlussfolgerung meiner Arbeit ist es, dass die Flexibilität artspezifischen Verhaltens in zukünftigen Populationsgefährdungsanalysen integriert werden sollte, um die Qualität von Prognosen zur Persistenz von Populationen zu verbessern.
KW  - Modellierung
KW  - Öko-Ethologie
KW  - Paarungssystem
KW  - Polyandrie
KW  - Mortalität
KW  - Reproduktionserfolg
KW  - pattern-oriented modelling
KW  - polyandry
KW  - survival rate
KW  - reproduction success
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5328
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zaehle, Sönke
T1  - Process-based simulation of the terrestrial biosphere : an evaluation of present-day and future terrestrial carbon balance estimates and their uncertainty
T1  - Prozessbasierte Modellierung der terrestrischen Biosphäre : eine Auswertung heutiger und zukünftiger terrestrischer Kohlenstoffbilanzabschätzungen und ihrer Unsicherheit
N2  - At present, carbon sequestration in terrestrial ecosystems slows the growth rate of atmospheric CO2 concentrations, and thereby reduces the impact of anthropogenic fossil fuel emissions on the climate system. Changes in climate and land use affect terrestrial biosphere structure and functioning at present, and will likely impact on the terrestrial carbon balance during the coming decades - potentially providing a positive feedback to the climate system due to soil carbon releases under a warmer climate. Quantifying changes, and the associated uncertainties, in regional terrestrial carbon budgets resulting from these effects is relevant for the scientific understanding of the Earth system and for long-term climate mitigation strategies. A model describing the relevant processes that govern the terrestrial carbon cycle is a necessary tool to project regional carbon budgets into the future. This study (1) provides an extensive evaluation of the parameter-based uncertainty in model results of a leading terrestrial biosphere model, the Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model (LPJ-DGVM), against a range of observations and under climate change, thereby complementing existing studies on other aspects of model uncertainty; (2) evaluates different hypotheses to explain the age-related decline in forest growth, both from theoretical and experimental evidence, and introduces the most promising hypothesis into the model; (3) demonstrates how forest statistics can be successfully integrated with process-based modelling to provide long-term constraints on regional-scale forest carbon budget estimates for a European forest case-study; and (4) elucidates the combined effects of land-use and climate changes on the present-day and future terrestrial carbon balance over Europe for four illustrative scenarios - implemented by four general circulation models - using a comprehensive description of different land-use types within the framework of LPJ-DGVM. This study presents a way to assess and reduce uncertainty in process-based terrestrial carbon estimates on a regional scale. The results of this study demonstrate that simulated present-day land-atmosphere carbon fluxes are relatively well constrained, despite considerable uncertainty in modelled net primary production. Process-based terrestrial modelling and forest statistics are successfully combined to improve model-based estimates of vegetation carbon stocks and their change over time. Application of the advanced model for 77 European provinces shows that model-based estimates of biomass development with stand age compare favourably with forest inventory-based estimates for different tree species. Driven by historic changes in climate, atmospheric CO2 concentration, forest area and wood demand between 1948 and 2000, the model predicts European-scale, present-day age structure of forests, ratio of biomass removals to increment, and vegetation carbon sequestration rates that are consistent with inventory-based estimates. Alternative scenarios of climate and land-use change in the 21<sup>st century suggest carbon sequestration in the European terrestrial biosphere during the coming decades will likely be on magnitudes relevant to climate mitigation strategies. However, the uptake rates are small in comparison to the European emissions from fossil fuel combustion, and will likely decline towards the end of the century. Uncertainty in climate change projections is a key driver for uncertainty in simulated land-atmosphere carbon fluxes and needs to be accounted for in mitigation studies of the terrestrial biosphere.
N2  - Kohlenstoffspeicherung in terrestrischen Ökosystemen reduziert derzeit die Wirkung anthropogener CO2-Emissionen auf das Klimasystem, indem sie die Wachstumsrate der atmosphärischer CO2-Konzentration verlangsamt. Die heutige terrestrische Kohlenstoffbilanz wird wesentlich von Klima- und Landnutzungsänderungen beeinflusst. Diese Einflussfaktoren werden sich auch in den kommenden Dekaden auf die terrestrische Biosphäre auswirken, und dabei möglicherweise zu einer positiven Rückkopplung zwischen Biosphäre und Klimasystem aufgrund von starken Bodenkohlenstoffverlusten in einem wärmeren Klima führen. Quantitative Abschätzungen der Wirkung dieser Einflussfaktoren - sowie der mit ihnen verbundenen Unsicherheit - auf die terrestrische Kohlenstoffbilanz sind daher sowohl für das Verständnis des Erdsystems, als auch für eine langfristig angelegte Klimaschutzpolitik relevant. Um regionale Kohlenstoffbilanzen in die Zukunft zu projizieren, sind Modelle erforderlich, die die wesentlichen Prozesse des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufes beschreiben. Die vorliegende Arbeit (1) analysiert die parameterbasierte Unsicherheit in Modellergebnissen eines der führenden globalen terrestrischen Ökosystemmodelle (LPJ-DGVM) im Vergleich mit unterschiedlichen ökosystemaren Messgrößen, sowie unter Klimawandelprojektionen, und erweitert damit bereits vorliegende Studien zu anderen Aspekten der Modelunsicherheit; (2) diskutiert unter theoretischen und experimentellen Aspekten verschiedene Hypothesen über die altersbedingte Abnahme des Waldwachstums, und implementiert die vielversprechenste Hypothese in das Model; (3) zeigt für eine europäische Fallstudie, wie Waldbestandsstatistiken erfolgreich für eine verbesserte Abschätzung von regionalen Kohlenstoffbilanzen in Wäldern durch prozessbasierten Modelle angewandt werden können; (4) untersucht die Auswirkung möglicher zukünftiger Klima- und Landnutzungsänderungen auf die europäische Kohlenstoffbilanz anhand von vier verschiedenen illustrativen Szenarien, jeweils unter Berücksichtigung von Klimawandelprojektionen vier verschiedener Klimamodelle. Eine erweiterte Version von LPJ-DGVM findet hierfür Anwendung, die eine umfassende Beschreibung der Hauptlandnutzungstypen beinhaltet.  Die vorliegende Arbeit stellt einen Ansatz vor, um Unsicherheiten in der prozessbasierten Abschätzung von terrestrischen Kohlenstoffbilanzen auf regionaler Skala zu untersuchen und zu reduzieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der Nettokohlenstoffaustausch zwischen terrestrischer Biosphäre und Atmosphäre unter heutigen klimatischen Bedingungen relativ sicher abgeschätzt werden kann, obwohl erhebliche Unsicherheit über die modelbasierte terrestrische Nettoprimärproduktion existiert. Prozessbasierte Modellierung und Waldbestandsstatistiken wurden erfolgreich kombiniert, um verbesserte Abschätzungen von regionalen Kohlenstoffvorräten und ihrer Änderung mit der Zeit zu ermöglichen. Die Anwendung des angepassten Modells in 77 europäischen Regionen zeigt, dass modellbasierte Abschätzungen des Biomasseaufwuchses in Wäldern weitgehend mit inventarbasierten Abschätzungen für verschiede Baumarten übereinstimmen. Unter Berücksichtigung von historischen Änderungen in Klima, atmosphärischem CO2-Gehalt, Waldfläche und Holzernte (1948-2000) reproduziert das Model auf europäischer Ebene die heutigen, auf Bestandsstatistiken beruhenden, Abschätzungen von Waldaltersstruktur, das Verhältnis von Zuwachs und Entnahme von Biomasse, sowie die Speicherungsraten im Kohlenstoffspeicher der Vegetation. Alternative Szenarien von zukünftigen Landnutzungs- und Klimaänderungen legen nahe, dass die Kohlenstoffaufnahme der europäischen terrestrischen Biosphäre von relevanter Größenordnung für Klimaschutzstrategien sind. Die Speicherungsraten sind jedoch klein im Vergleich zu den absoluten europäischen CO2-Emissionen, und nehmen zudem sehr wahrscheinlich gegen Ende des 21. Jahrhunderts ab. Unsicherheiten in Klimaprojektionen sind eine Hauptursache für die Unsicherheiten in den modellbasierten Abschätzungen des zukünftigen Nettokohlenstoffaustausches und müssen daher in Klimaschutzanalysen der terrestrischen Biosphäre berücksichtigt werden.
KW  - Terrestrische Ökologie
KW  - Kohlenstoffkreislauf
KW  - Modellierung
KW  - Landnutzung
KW  - Anthropogene Klimaänderung
KW  - dynamic global vegetation model
KW  - terrestrial carbon balance
KW  - forest age-structure
KW  - model uncertainty
KW  - global change
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5263
ER  - 
TY  - THES
A1  - Knöpfel, Andreas
T1  - Konzepte der Beschreibung interaktiver Systeme
T1  - Concepts of describing interactive systems
N2  - Interaktive System sind dynamische Systeme mit einem zumeist informationellen Kern, die über eine Benutzungsschnittstelle von einem oder mehreren Benutzern bedient werden können. Grundlage für die Benutzung interaktiver Systeme ist das Verständnis von Zweck und Funktionsweise. Allein aus Form und Gestalt der Benutzungsschnittstelle ergibt sich ein solches Verständnis nur in einfachen Fällen. Mit steigender Komplexität ist daher eine verständliche Beschreibung solcher Systeme für deren Entwicklung und Benutzung unverzichtbar.  Abhängig von ihrem Zweck variieren die Formen vorgefundener Beschreibungen in der Literatur sehr stark. Ausschlaggebend für die Verständlichkeit einer Beschreibung ist jedoch primär die ihr zugrundeliegende Begriffswelt. Zur Beschreibung allgemeiner komplexer diskreter Systeme - aufbauend auf einer getrennten Betrachtung von Aufbau-, Ablauf- und Wertestrukturen - existiert eine bewährte Begriffswelt. Eine Spezialisierung dieser Begriffs- und Vorstellungswelt, die den unterschiedlichen Betrachtungsebenen interaktiver Systeme gerecht wird und die als Grundlage beliebiger Beschreibungsansätze interaktiver Systeme dienen kann, gibt es bisher nicht.  Ziel dieser Arbeit ist die Bereitstellung einer solchen Begriffswelt zur effizienten Kommunikation der Strukturen interaktiver Systeme. Dadurch soll die Grundlage für eine sinnvolle Ergänzung bestehender Beschreibungs- und Entwicklungsansätze geschaffen werden. Prinzipien der Gestaltung von Benutzungsschnittstellen, Usability- oder Ergonomiebetrachtungen stehen nicht im Mittelpunkt der Arbeit.  Ausgehend von der informationellen Komponente einer Benutzungsschnittstelle werden drei Modellebenen abgegrenzt, die bei der Betrachtung eines interaktiven Systems zu unterscheiden sind. Jede Modellebene ist durch eine typische Begriffswelt gekennzeichnet, die ihren Ursprung in einer aufbauverwurzelten Vorstellung hat. Der durchgängige Bezug auf eine Systemvorstellung unterscheidet diesen Ansatz von dem bereits bekannten Konzept der Abgrenzung unterschiedlicher Ebenen verschiedenartiger Entwurfsentscheidungen. Die Fundamental Modeling Concepts (FMC) bilden dabei die Grundlage für die Findung und die Darstellung von Systemstrukturen.  Anhand bestehender Systembeschreibungen wird gezeigt, wie die vorgestellte Begriffswelt zur Modellfindung genutzt werden kann. Dazu wird eine repräsentative Auswahl vorgefundener Systembeschreibungen aus der einschlägigen Literatur daraufhin untersucht, in welchem Umfang durch sie die Vorstellungswelt dynamischer Systeme zum Ausdruck kommt. Defizite in der ursprünglichen Darstellung werden identifiziert. Anhand von Alternativmodellen zu den betrachteten Systemen wird der Nutzen der vorgestellten Begriffswelt und Darstellungsweise demonstriert.
N2  - Interactive systems are dynamic systems which provide services to one or more users via a user interface. Many of these systems have an information processing core. To effectively use such a system, a user needs to know about the purpose and functional concepts of the system. Only in case of a rather simple functionality, the required knowledge is likely to be obtained by mere exploration of the user interface. For complex systems, a comprehensive description is essential for effective and efficient operation, but also for system development. Especially in the context of this publication, the focus is on the diagrams that are used for communication in the development process of interactive systems. With regard to its purpose these descriptions vary in form and notation. In any case, it is the underlying terminology which is crucial to the understandability. Established concepts and notations for the description of generic information processing systems promote a strict separation of three categories of system structures: Compositional structures, behavioral structures and value-range structures. This publication suggests a specialization of this approach for the description of interactive systems. The definition of specific notions and semantic layers is intended to provide a complement to existing description approaches in that field that constitutes a mental framework to enhance the efficiency of communication about interactive systems. In focusing to the description aspect only, design principles, system architectures and development methods are the context but not the subject of this work. The separation of three semantic layers provides the foundation to distinguish purpose-related, interaction-related and implementation-related models of interactive systems. Each semantic layer is characterized by a specific terminology. Referring to the idea of equivalent models, the compositional system structure varies from layer to layer and provides the framework to ask for the observable behavior and values. The strict assignment of system aspects to system components distinguishes this approach from a simple layering of design decisions in the development of interactive systems as commonly found in the relevant literature. The Fundamental Modeling Concepts (FMC) provide the foundation for the identification and representation of system structures. A selection of system descriptions taken from the relevant literature provides the starting point to demonstrate the application of the suggested concept. Purpose, content and form of each example are analyzed with regard to the implied system structure. Weaknesses in the original representation are identified. Alternative models complement the examples to illustrate the benefit of the new approach.
KW  - Systementwurf
KW  - Benutzeroberfläche
KW  - Modellierung
KW  - Interaktives System
KW  - Systemstruktur
KW  - FMC
KW  - Betrachtungsebenen
KW  - Interactive system
KW  - model-driven architecture
KW  - FMC
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-2898
ER  - 
TY  - THES
A1  - Baufeld, Ralf
T1  - GIS-gestützte Prognose der Biotopentwicklung auf Grundlage von Biotoptypen- und Vegetationserhebungen auf geplanten Rückdeichungsflächen an der Mittleren Elbe in Sachsen-Anhalt
T1  - GIS supported forecast of biotope development based on investigations of biotopes and vegetation on planned areas for setting back dykes at the Middle Elbe in Saxony-Anhalt
N2  - Durch die anthropogene Nutzung sind viele Auen in Mitteleuropa verändert worden, wobei insbesondere die Retentionsflächen stark verringert wurden. Während Auen seit längerem im Fokus der wissenschaftlichen Bearbeitung stehen, gibt es bisher große Wissensdefizite in der Frage der Auenreaktivierungen. Zum einen sind derartige Projekte bisher kaum verwirklicht und zum anderen ist ein langfristiges Monitoring notwendig, um die Anpassung von Biozönosen an die veränderten Standortbedingungen beobachten zu können. Um die Folgen derartiger Eingriffe zu analysieren, bieten sich computergestützte Modellierungen der Landschaftsentwicklung an, wie sie in der vorliegenden Arbeit verwirklicht wurden. Ziel der Arbeit war, mit Hilfe eines Geografischen Informationssystems (GIS) das Entwicklungspotenzial der Landschaft bei verschiedenen Rückdeichungsvarianten auf der Ebene der Biotoptypen darzustellen. Dabei ging es nicht um die Erstellung eines allgemein gültigen Auenmodells sondern um die Erarbeitung eines Modells für einen konkreten Anwendungsfall. Der erarbeitete Ansatz sollte zudem für die landschaftsplanerische Praxis geeignet sein. Als Beispielgebiete wurden Flächen an der Mittleren Elbe bei Rogätz und Sandau, beide im nördlichen Teil von Sachsen-Anhalt, ausgewählt. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Im ersten Teil werden Erhebungen und Auswertungen als Grundlage der Modellentwicklung dargestellt. Dazu wurden die Biotoptypen der Beispielgebiete flächendeckend erhoben und mit punktuellen Vegetationserhebungen ergänzt. Aus dem Forschungsprojekt "Rückgewinnung von Retentionsflächen und Altauenreaktivierung an der Mittleren Elbe in Sachsen-Anhalt" des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) standen standortökologische Daten der Hydrologie und Bodenkunde zur Verfügung. Ziel der Auswertung war, Schlüsselfaktoren für Hydrologie und Bodenbedingungen innerhalb der rezenten Aue zu identifizieren, die zur Ausprägung bestimmter Biotoptypen führen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein Modell für Biotoptypenpotenziale auf den geplanten Rück&ndash;deichungsflächen entwickelt. Das Modell bearbeitet die Datenbank der verwendeten GIS-Dateien, die auf Daten zum Bestand beruht und um solche der Prognose der Standortökologie (Hydrologie und Boden) im Rückdeichungsfalle aus dem BMBF-Projekt erweitert wurde. Weitere Voraussetzung für die Modellierung war die Erarbeitung von Leitbildern, in denen unterschiedliche Nutzungsszenarios für die Landschaft nach Deichrückverlegung hypothetisch festgelegt wurden. Insbesondere die Nutzungsintensität wurde variiert, von einer Variante intensiver land- und forstwirtschaftlicher Nutzung über sogenannte integrierte Entwicklungsziele aus dem BMBF-Projekt bis hin zu einer Variante der Naturschutznutzung. Zusätzlich wurde eine zukünftige Potentielle Natürliche Vegetation modelliert. Eine Überprüfung des Modell fand für den Raum der rezenten Aue in der intensiven Nutzungsvariante statt, die der gegenwärtigen Nutzung am nächsten kommt. Werden Informationen des Bestandsbiotoptyps als Korrekturgröße in das Modell einbezogen, konnte für viele Biotoptypen eine Trefferquote von über 90 % erreicht werden. Bei flächenmäßig weniger bedeutenden Bio&ndash;toptypen lag dieser Wert aufgrund der schmaleren Datenbasis zwischen 20 und 40 %. Als Ergebnis liegt für unterschiedliche Deichvarianten und Leitbilder in den Beispielgebieten die Landschaftsentwicklung als Biotoppotenzial vor. Als eine vereinfachte Regionalisierung der punktuellen Vegetationsdaten wurde im Modell geprüft, inwieweit die modellierten Biotopflächen der Charakteristik der pflanzensoziologischen Aufnahmen aus der rezenten Aue entsprechen. In dem Falle wurde die Pflanzengesellschaft der jeweiligen ökologisch im Rahmen der Untersuchung einheitlichen Flächeneinheit zugeordnet. Anteilig lässt sich damit die Biotopprognosefläche pflanzensoziologisch konkretisieren. Die vorliegende Arbeit gehört zu den bisher wenigen Arbeiten, die sich mit den Folgen von Auenreaktivierung auf die Entwicklung der Landschaft auseinandersetzen. Sie zeigt eine Möglichkeit auf, Prognosemodelle für Biotoptypen und Vegetation anhand begrenzter Felduntersuchungen zu entwerfen. Derartige Modelle können zum Verständnis von Eingriffen in den Naturhaushalt, wie sie die Deichrückverlegungen darstellen, beitragen und eine Folgenabschätzung unterstützen.
N2  - Most of the floodplains in Central Europe are highly altered by man. In particular, recent inundation areas have been dramatically reduced. Before the Elbe-flood-disaster of the year 2002 there had already been considerations about combining flood-protection and restoration of floodplains. While research has focused on floodplains for a considerable time, knowledge on the reactivation of floodplains is still significantly lacking. Until now, only a few projects have been realized, and there has not been enough long-term moni&ndash;toring of the adaption of habitats to changing conditions. Computerized models of landscape development, as utilized in the presented work, can help to address these questions. The aim of the study was to show the potential development of the landscape on the scale of biotopes under different scenarios of floodplain expansion by application of a geographic information system (GIS). It was not intended to create a general floodplain-model. The model aimed at a specific applied case and should also be applicable for questions of landscape planning. Two areas near the villages of Sandau and Rogätz at the Middle Elbe River in the north of the German federal state of Saxony-Anhalt were selected. The presented work is divided into two parts. The first describes the sampling and evaluation of data as a basis for modeling. For this, the biotopes were mapped in total in the two study areas. Additionally, vegetation data were collected from selected sites mainly in the grassland and forest-biotopes. Hydrological and soil condition data were available through the project "Rückgewinnung von Retentionsflächen und Altauenreaktivierung an der Mittleren Elbe in Sachsen-Anhalt" of the German Ministry of Education and Science (BMBF). This part of the study aimed to identify the ecological key factors in the recent floodplain that lead to the development of the different biotopes. In the second part of the presented work a model for the potential biotopes on the expanded floodplain after setting back the dikes was developed. The model alters the GIS database and adds a potential biotope. First this database must be expanded to integrate the hydrological and soil data of the BMBF-project for the expanded floodplain. Different hypo&ndash;thetical land use scenarios were assumed and applied to the model. The three different variants of land use adapted from the BMBF-project were intensive land use, land use under conditions of nature-conservation an integration of both extremes. In the case of intensive land &ndash;use arable fields were modeled in areas which are flooded on average only every ten years or less. As a fourth scenario the potential natural vegetation was modeled. An evaluation of the model was made for the recent floodplain under intensive land use conditions, which are close to the current land use. By correcting the models results with information of the current biotope composition, many biotopes could be predicted correctly with 90 % accuracy. For biotopes which are rare in the study area the prediction rate lay between 20 and 40 %. The result of the second part of the presented work was the modeling of the potential biotopes for the different land use scenarios and the different variants of setting back the dikes. Integrated in the model was a module of a simplified regionalization of the vegetation data. It was tested whether the characteristics of the processed unit of the GIS-database fit the results of the vegetation sampling of the first part of the study. Where this was the case, the whole unit was characterized as a phytosociologic vegetation-unit. Thus, for part of the modeling area the biotope-potentials could be expanded with information on the actual vegetation. The present work is one of the few studies so far dealing with the consequences for the landscape of reactivating floodplains which are separated from rivers by dikes. It shows the possibility to use models to predict changes in biotopes and vegetation based on limited field data. Such models can help to understand the altering of nature caused by such impacts and to estimate the possible consequences.
KW  - Modellierung
KW  - Geoinformationssystem
KW  - Vegetation
KW  - Biotoptypen
KW  - Deichrückverlegung
KW  - Auenreaktivierung
KW  - biotopes
KW  - setting back dykes
KW  - restoration of floodplains
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-2523
ER  -