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Stofftransport in einem Lösseinzugsgebiet: Experimentelle Evidenz und numerische Modellierung.
(2004)
[1] This paper examines the effect of uncertain initial soil moisture on hydrologic response at the plot scale (1 m(2)) and the catchment scale (3.6 km(2)) in the presence of threshold transitions between matrix and preferential flow. We adopt the concepts of microstates and macrostates from statistical mechanics. The microstates are the detailed patterns of initial soil moisture that are inherently unknown, while the macrostates are specified by the statistical distributions of initial soil moisture that can be derived from the measurements typically available in field experiments. We use a physically based model and ensure that it closely represents the processes in the Weiherbach catchment, Germany. We then use the model to generate hydrologic response to hypothetical irrigation events and rainfall events for multiple realizations of initial soil moisture microstates that are all consistent with the same macrostate. As the measures of uncertainty at the plot scale we use the coefficient of variation and the scaled range of simulated vertical bromide transport distances between realizations. At the catchment scale we use similar statistics derived from simulated flood peak discharges. The simulations indicate that at both scales the predictability depends on the average initial soil moisture state and is at a minimum around the soil moisture value where the transition from matrix to macropore flow occurs. The predictability increases with rainfall intensity. The predictability increases with scale with maximum absolute errors of 90 and 32% at the plot scale and the catchment scale, respectively. It is argued that even if we assume perfect knowledge on the processes, the level of detail with which one can measure the initial conditions along with the nonlinearity of the system will set limits to the repeatability of experiments and limits to the predictability of models at the plot and catchment scales
Predictability of hydrologic response at the plot and catchment scales: Role of initial conditions
(2004)
This paper examines the effect of uncertain initial soil moisture on hydrologic response at the plot scale (1 m2) and the catchment scale (3.6 km2) in the presence of threshold transitions between matrix and preferential flow. We adopt the concepts of microstates and macrostates from statistical mechanics. The microstates are the detailed patterns of initial soil moisture that are inherently unknown, while the macrostates are specified by the statistical distributions of initial soil moisture that can be derived from the measurements typically available in field experiments. We use a physically based model and ensure that it closely represents the processes in the Weiherbach catchment, Germany. We then use the model to generate hydrologic response to hypothetical irrigation events and rainfall events for multiple realizations of initial soil moisture microstates that are all consistent with the same macrostate. As the measures of uncertainty at the plot scale we use the coefficient of variation and the scaled range of simulated vertical bromide transport distances between realizations. At the catchment scale we use similar statistics derived from simulated flood peak discharges. The simulations indicate that at both scales the predictability depends on the average initial soil moisture state and is at a minimum around the soil moisture value where the transition from matrix to macropore flow occurs. The predictability increases with rainfall intensity. The predictability increases with scale with maximum absolute errors of 90 and 32% at the plot scale and the catchment scale, respectively. It is argued that even if we assume perfect knowledge on the processes, the level of detail with which one can measure the initial conditions along with the nonlinearity of the system will set limits to the repeatability of experiments and limits to the predictability of models at the plot and catchment scales.
Chemical transformations and hydraulic processes in soil and groundwater often lead to an apparent retention of nitrate in lowland catchments. Models are needed to evaluate the interaction of these processes in space and time. The objectives of this study are i) to develop a specific modelling approach by combining selected modelling tools simulating N-transport and turnover in soils and groundwater of lowland catchments, ii) to study interactions between catchment properties and nitrogen transport. Special attention was paid to potential N-loads to surface waters. The modelling approach combines various submodels for water flow and solute transport in soil and groundwater: The soil-water- and nitrogen-model mRISK-N, the groundwater flow model MODFLOW and the solute transport model RT3D. In order to investigate interactions of N-transport and catchment characteristics, the distribution and availability of reaction partners have to be taken into account. Therefore, a special reaction-module is developed, which simulates various chemical processes in groundwater, such as the degradation of organic matter by oxygen, nitrate, sulphate or pyrite oxidation by oxygen and nitrate. The model approach is applied to different simulation, focussing on specific submodels. All simulation studies are based on field data from the Schaugraben catchment, a pleistocene catchment of approximately 25 km², close to Osterburg(Altmark) in the North of Saxony-Anhalt. The following modelling studies have been carried out: i) evaluation of the soil-water- and nitrogen-model based on lysimeter data, ii) modelling of a field scale tracer experiment on nitrate transport and turnover in the groundwater as a first application of the reaction module, iii) evaluation of interactions between hydraulic and chemical aquifer properties in a two-dimensional groundwater transect, iv) modelling of distributed groundwater recharge and soil nitrogen leaching in the study area, to be used as input data for subsequent groundwater simulations, v) study of groundwater nitrate distribution and nitrate breakthrough to the surface water system in the Schaugraben catchment area and a subcatchment, using three-dimensional modelling of reactive groundwater transport. The various model applications prove the model to be capable of simulating interactions between transport, turnover and hydraulic and chemical catchment properties. The distribution of nitrate in the sediment and the resulting loads to surface waters are strongly affected by the amount of reactive substances and by the residence time within the aquifer. In the Schaugraben catchment simulations, it is found that a period of 70 years is needed to raise the average seepage concentrations of nitrate to a level corresponding to the given input situation, if no reactions are considered. Under reactive transport conditions, nitrate concentrations are reduced effectively. Simulation results show that groundwater exfiltration does not contribute considerably to the nitrate pollution of surface waters, as most nitrate entering soils and groundwater is lost by denitrification. Additional sources, such as direct inputs or tile drains have to be taken into account to explain surface water loads. The prognostic value of the models for the study site is limited by uncertainties of input data and estimation of model parameters. Nevertheless, the modelling approach is a useful aid for the identification of source and sink areas of nitrate pollution as well as the investigation of system response to management measures or landuse changes with scenario simulations. The modelling approach assists in the interpretation of observed data, as it allows to integrate local observations into a spatial and temporal framework.
Application and Acceptance of the Habitats Directive in Germany and France - Comparison of Selected Areas. Since 1992, when the Habitats Directive (92/43/EWG) came into effect, all EU member states are obligated to contribute to the establishment of a coherent ecological framework of special protection areas, called Natura 2000. The guideline states both protection objects and protection aims more precisely but its implementation is, to a large extent, left to the member states. In the neighbouring states Germany and France the organisation report strategy, and area management of the Natura 2000 areas differ significantly. Based on these conditions, in both countries two exemplary regions (mountain range and low mountain range) with 3 Natura 2000-areas were selected. In exemplary municipalities the local decision-makers and other relevant activists were interviewed regarding their acceptance of Natura 2000. The results showed altogether a higher acceptance in the 12 German municipalities than in the 12 French but at the same time an extensive insecurity regarding the new obligations on order to implement the protection system. In the French examples the lack of public participation organised by the state government contributed to a reduced acceptance during the first years of the implementation of the Habitats Guideline. Besides, crucial elements for a local acceptance of the Natura 2000 system in both states were the land owners, existing plans and development aims of the municipality, land use and a possibly existing protection status of the area. Additionally the study showed that a transparent establishment of a management plan offers the opportunity to co-ordinate different land use and protection interests. The designation of a separate area co-ordinator for each Natura 2000-area, at the same time contact for the local community like in France, can provide a valuable, confidence-building measure.
Zwischen 1990 und 1994 wurden rund 1000 Liegenschaften, die in der ehemaligen DDR von der Sowjetarmee und der NVA für militärische Übungen genutzt wurden, an Bund und Länder übergeben. Die größten Truppenübungsplätze liegen in Brandenburg und sind heute teilweise in Großschutzgebiete integriert, andere Plätze werden von der Bundeswehr weiterhin aktiv genutzt. Aufgrund des militärischen Betriebs sind die Böden dieser Truppenübungsplätze oft durch Blindgänger, Munitionsreste, Treibstoff- und Schmierölreste bis hin zu chemischen Kampfstoffen belastet. Allerdings existieren auf fast allen Liegenschaften neben diesen durch Munition und militärische Übungen belasteten Bereichen auch naturschutzfachlich wertvolle Flächen; gerade in den Offenlandbereichen kann dies durchaus mit einer Belastung durch Kampfmittel einhergehen. Charakteristisch für diese offenen Flächen, zu denen u.a. Zwergstrauchheiden, Trockenrasen, wüstenähnliche Sandflächen und andere nährstoffarme baumlose Lebensräume gehören, sind Großflächigkeit, Abgeschiedenheit sowie ihre besondere Nutzung und Bewirtschaftung, d.h. die Abwesenheit von land- und forstwirtschaftlichem Betrieb sowie von Siedlungsflächen. Diese Charakteristik war die Grundlage für die Entwicklung einer speziell angepassten Flora und Fauna. Nach Beendigung des Militärbetriebs setzte dann in weiten Teilen eine großflächige Sukzession – die allmähliche Veränderung der Zusammensetzung von Pflanzen- und Tiergesellschaften – ein, die diese offenen Bereiche teilweise bereits in Wald verwandelte und somit verschwinden ließ. Dies wiederum führte zum Verlust der an diese Offenlandflächen gebundenen Tier- und Pflanzenarten. Zur Erhaltung, Gestaltung und Entwicklung dieser offenen Flächen wurden daher von einer interdisziplinären Gruppe von Naturwissenschaftlern verschiedene Methoden und Konzepte auf ihre jeweilige Wirksamkeit untersucht. So konnten schließlich die für die jeweiligen Standortbedingungen geeigneten Maßnahmen eingeleitet werden. Voraussetzung für die Einleitung der Maßnahmen sind zum einen Kenntnisse zu diesen jeweiligen Standortbedingungen, d.h. zum Ist-Zustand, sowie zur Entwicklung der Flächen, d.h. zur Dynamik. So kann eine Abschätzung über die zukünftige Flächenentwicklung getroffen werden, damit ein effizienter Maßnahmeneinsatz stattfinden kann. Geoinformationssysteme (GIS) spielen dabei eine entscheidende Rolle zur digitalen Dokumentation der Biotop- und Nutzungstypen, da sie die Möglichkeit bieten, raum- und zeitbezogene Geometrie- und Sachdaten in großen Mengen zu verarbeiten. Daher wurde ein fachspezifisches GIS für Truppenübungsplätze entwickelt und implementiert. Die Aufgaben umfassten die Konzeption der Datenbank und des Objektmodells sowie fachspezifischer Modellierungs-, Analyse- und Präsentationsfunktionen. Für die Integration von Fachdaten in die GIS-Datenbank wurde zudem ein Metadatenkatalog entwickelt, der in Form eines zusätzlichen GIS-Tools verfügbar ist. Die Basisdaten für das GIS wurden aus Fernerkundungsdaten, topographischen Karten sowie Geländekartierungen gewonnen. Als Instrument für die Abschätzung der zukünftigen Entwicklung wurde das Simulationstool AST4D entwickelt, in dem sowohl die Nutzung der (Raster-)Daten des GIS als Ausgangsdaten für die Simulationen als auch die Nutzung der Simulationsergebnisse im GIS möglich ist. Zudem können die Daten in AST4D raumbezogen visualisiert werden. Das mathematische Konstrukt für das Tool war ein so genannter Zellulärer Automat, mit dem die Flächenentwicklung unter verschiedenen Voraussetzungen simuliert werden kann. So war die Bildung verschiedener Szenarien möglich, d.h. die Simulation der Flächenentwicklung mit verschiedenen (bekannten) Eingangsparametern und den daraus resultierenden unterschiedlichen (unbekannten) Endzuständen. Vor der Durchführung einer der drei in AST4D möglichen Simulationsstufen können angepasst an das jeweilige Untersuchungsgebiet benutzerspezifische Festlegungen getroffen werden.
Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen der geothermischen Energieerzeugung aus umwelt- und naturschutzfachlicher Sicht zu untersuchen und zu bewerten. Auf der Grundlage einer umfassenden Literaturstudie, von Expertenbefragungen sowie der Besichtigung des Hydrothermalen Erdwärmekraftwerkes in Neustadt-Glewe und der Erdwärmesondenanlage auf dem Max-Planck-Campus in Golm wurden die für eine behördliche Genehmigung der Erschließung und Nutzung von Erdwärmevorkommen notwendigen gesetzlichen Regelungen systematisch aufgearbeitet und die mit den Techniken zur Erschließung bzw. den Anlagen zur Nutzung von Erdwärme verbundenen umweltrelevanten Wirkfaktoren ausgewiesen und systematisch dargestellt. Darauf aufbauend wurden die potenziellen Wirkungen auf die Schutzgüter des UVPG qualitativ erfasst und, soweit es in Anbetracht des derzeitigen Standes der Forschung möglich war, quantifiziert. Die Wirkungen wurden schließlich hinsichtlich ihrer Bedeutung und Erheblichkeit im Rahmen von behördlichen Genehmigungsentscheidungen bewertet und miteinander verglichen. Die Anforderungen an den Inhalt von Antragsunterlagen wurden dargestellt. Gutachter / Betreuer: Dr. Holger Rößling ; Dipl.-Biol. Karl Scheurlen
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.