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Veränderung der Abflüsse
(2005)
Reductions in river discharge (water availability) like those from climate change or increased water withdrawal, reduce freshwater biodiversity. We combined two scenarios from the Intergovernmental Panel for Climate Change with a global hydrological model to build global scenarios of future losses in river discharge from climate change and increased water withdrawal. Applying these results to known relationships between fish species and discharge, we build scenarios of losses (at equilibrium) of riverine fish richness. In rivers with reduced discharge, up to 75% (quartile range 4-22%) of local fish biodiversity would be headed toward extinction by 2070 because of combined changes in climate and water consumption. Fish loss in the scenarios fell disproportionately on poor countries. Reductions in water consumption could prevent many of the extinctions in these scenarios
This paper examines the effect of spatially variable initial soil moisture and spatially variable precipitation on predictive uncertainty of simulated catchment scale runoff response in the presence of threshold processes. The underlying philosophy is to use a physically based hydrological model named CATFLOW as a virtual landscape, assuming perfect knowledge of the processes. The model, which in particular conceptualizes preferential flow as threshold process, was developed based on intensive process and parameter studies and has already been successfully applied to simulate flow and transport at different scales and catchments. Study area is the intensively investigated Weiherbach catchment. Numerous replicas of spatially variable initial soil moisture or spatially variable precipitation with the same geostatistical properties are conditioned to observed soil moisture and precipitation data and serve as initial and boundary conditions for the model during repeated simulations. The effect of spatially soil moisture on modeling catchment runoff response was found to depend strongly on average saturation of the catchment. Different realizations of initial soil moisture yielded strongly different hydrographs for intermediate initial soil moisture as well as in dry catchment conditions; in other states the effect was found to be much lower. This is clearly because of the threshold nature of preferential flow as well as the threshold nature of Hortonian production of overland flow. It was shown furthermore that the spatial pattern of a key parameter (macroporosity) that determined threshold behavior is of vast importance for the model response. The estimation of these patterns, which is mostly done based on sparse observations and expert knowledge, is a major source for predictive model uncertainty. Finally, it was shown that the usage of biased, i.e. spatially homogenized precipitation, input during parameter estimation yields a biased model structure, which gives poor results when used with highly distributed input. If spatially highly resolved precipitation was used during model parameter estimation. the predictive uncertainty of the model was clearly reduced. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved
A fine-grained slope that exhibits slow movement rates was investigated to understand how geohydrological processes contribute to a consecutive development of mass movements in the Vorarlberg Alps, Austria. For that purpose intensive hydrometeorological, hydrogeological and geotechnical observations as well as surveying of surface movement rates were conducted during 1998-2001. Subsurface water dynamics at the creeping slope turned out to be dominated by a three-dimensional pressure system. The pressure reaction is triggered by fast infiltration of surface water and subsequent lateral water flow in the south-western part of the hillslope. The related pressure signal was shown to propagate further downhill, causing fast reactions of the piezometric head at 5.5 m depth on a daily time scale. The observed pressure reactions might belong to a temporary hillslope water body that extends further downhill. The related buoyancy forces could be one of the driving forces for the mass movement. A physically based hydrological model was adopted to model simultaneously surface and subsurface water dynamics including evapotranspiration and runoff production. It was possible to reproduce surface runoff and observed pressure reactions in principle. However, as soil hydraulic functions were only estimated on pedotransfer functions, a quantitative comparison between observed and simulated subsurface dynamics is not feasible. Nevertheless, the results suggest that it is possible to reconstruct important spatial structures based on sparse observations in the field which allow reasonable simulations with a physically based hydrological model. Copyright (c) 2005 John Wiley & Sons, Ltd
One of the mechanisms for sudden particle release is a decrease in groundwater salt concentration to below the critical salt concentration (CSC), where repulsion forces between fine particles and matrix surfaces exceed binding forces. In this paper, an attempt was made to determine the CSC with both batch and column experiments. Two types of sediments were tested: (a) homogeneous quartz sand and (b) mineralogically heterogeneous sediment, taken from the Hanford formation in southeast Washington. Stepwise decreasing concentrations of NaNO3 solution were applied until fine particles were released from the sediments and the CSC was determined. Two methods were used to minimize the interference of particle release due to physical forces (shear stress) in the batch experiments: (a) postexperimental correction for mechanical effects, and (b) minimization of shear stress on the sediments during the experiment. CSCs from batch experiments were compared to those obtained from column experiments. It was found that both the amount of particles released and the CSC were an order of magnitude higher for the Hanford sediment than for the Sand. Moreover, particle detachment above the CSC was observed for the Hanford sediment. This suggests that the concept of sharp CSCs could be problematic in natural heterogeneous sediments where fine particles may mobilize at salt concentrations significantly above the CSC, thus unexpectedly enhancing colloid-facilitated transport of contaminants. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved
Flussauen stellen in der Bundesrepublik Deutschland seit langem ein gemeinsames Handlungsfeld von Naturschutz und Wasserwirtschaft dar. Nachdem mit der EG-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) eine Neuausrichtung der Gewässerentwicklung in den Mitgliedsstaaten eingeleitet worden ist, stellt sich auch die Frage, welche neuen Ansätze sich den Beteiligten in Bezug auf die Flussauen eröffnen. Welche Bedeutung hat das Gewässerumfeld und mit ihm die Flussauen - für das Erreichen der von der WRRL gesteckten Umweltziele, und wie verändert die Umsetzung der WRRL die Voraussetzungen für den Naturschutz in Flussauen? Da die Wasserrahmenrichtlinie den Begriff "Flussaue" nicht verwendet, werden zunächst die relevanten Regelungen der Richtlinie herausgearbeitet, die einen deutlichen Bezug zu den Naturschutzbelangen in Flussauen erkennen lassen. An zwei Beispielgebieten mit verschiedenen naturräumlichen Bedingungen und unterschiedlichem Ausbauzustand der Gewässer, der "Unteren Havelniederung" und dem "Südlichen Oberrhein", werden - bezogen auf die Anforderungen der WRRL - Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Handlungsansätze von Wasserwirtschaft und Naturschutz veranschaulicht. Darauf aufbauend werden schließlich 16 Empfehlungen für die Zusammenarbeit von Naturschutz und Wasserwirtschaft bei der Umsetzung der WRRL formuliert. Die Handlungsempfehlungen richten sich gleichermaßen an den behördlichen Naturschutz und die Naturschutzverbände wie auch an die mit der Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie befassten Behörden der Wasserwirtschaft. Es zeichnet sich ab, dass Naturschutz und Wasserwirtschaft sich bei der Umsetzung ihrer Ziele in Flussauen gegenseitig unterstützen können. Die Beteiligten erhalten konkrete Anregungen, wie die vorhandenen Synergiepotenziale bestmöglich ausgeschöpft werden können.
Zusammenfassung und Fazit Über die im ROG ausgewiesenen Möglichkeiten, Minderungs-, Ausgleichs- und Ersatzmaß-nahmen in die Entwicklung der anzustrebenden Freiraumstruktur einzubinden sowie mittels der entsprechenden Aussagemöglichkeiten v. a. der überörtlichen Landschaftsplanung las-sen sich für die Eingriffsregelung Verknüpfungen zur regionalen Ebene herstellen. Nicht nur die viel beklagte und durch exemplarische Auswertungen des brandenburgischen Eingriffs- und Kompensationsflächenkatasters (EKIS) z. T. auch tatsächlich nachweisbare Zersplitte-rung der Kompensationsflächen, sondern auch künftige Anforderungen zur Umsetzung eines Biotopverbunds nach $ 3 BNatSchG und der europäischen Wasserrahmenrichtlinie sowie die Sicherung des kohärenten Netzes NATURA 2000 machen die Notwendigkeit deutlich, die rechtlich angelegten Möglichkeiten einer übergreifenden, auf regionaler Ebene ansetzenden Lenkung von Kompensationsmaßnahmen stärker auszuschöpfen. Gesehen werden muss jedoch auch, dass ein solches stärker konzeptionell ("Top- down") bestimmtes Herangehen zwar fachlich wünschenswert ist, konkrete Erfahrungen aus der wissenschaftlichen Begleitung zum regionalen Flächenpool "Kulturlandschaft Mittlere Havel" jedoch darauf hindeuten, dass bei der Konzeption und Umsetzung regionaler Flächenpools zwei naturschutzfachliche Ebenen zu unterscheiden sind: Zum Einen besagte konzeptionell-strategische Planung und Vorbereitung auf der Zielebene, zum Anderen die Klärung der Ver-fügbarkeit einzelner Flächen und die konkrete, ins Detail gehende Maßnahmenplanung. Es ist wohl nur eingeschränkt realistisch, regionale Flächenpools ausschließlich über eine hie-rarchische "Top-down-Steuerung" mittels der Maßgaben von Landschaftsplanung und Raumordnung zu installieren, sondern im Gegenzug müssen im konkreten Flächenbezug die Klärung standörtlicher Flächeneignungen, der jeweiligen Flächenverfügbarkeiten, die Entwicklung örtlicher Projektgebiete sowie kooperative Verhandlungen mit den einzelnen örtli-chen Akteuren und Grundstückseigentümern erfolgen. Daraus lässt sich die Forderung ablei-ten, dass in der Diskussion um regionale Flächenpools neben der konzeptionellen Steuerung der Ebene der konkreten Maßnahmenspezifizierung und -durchführung verstärkte Aufmerk-samkeit gewidmet werden sollte, um im Zusammenwirken von "Top-Down"- und "Bottom- up"-Ansätzen zu einem effektiven Kompensationsmanagement zu gelangen.
The implementation of the European Water Framework Directive (WFD) will address land use issues in river catchments in order to reduce diffuse pollution and work towards the aim of achieving good ecological status, or good ecological potential in surface water bodies. The WFD also requires the active involvement of all interested parties in developing the best approach to achieve its objectives. The paper demonstrates how scenario analysis can be applied to investigate the impacts of land use changes and how stakeholder interviews can be used to evaluate the results of the scenarios. The study was carried out in the Havel Basin in the northeast of Germany. "Landscape-ecological spatial units" were derived from similar characteristics of soil and groundwater conditions, ground relief and inundation to enable spatial allocation of potential land use and link different scales when describing possible changes in land use. As a first step, in three sub-catchments of the Havel river (distinguished by different physical characteristics) detailed surveys were carried out to investigate the various interests of the stakeholders. The interviews were used to identify the key problems of each area with respect to water quality and quantity and facilitated stakeholder engagement with the catchment planning issues in the Havel river basin. The information from the stakeholder interviews was used to determine the initial conditions for the land use scenarios which were developed to demonstrate possible changes to land use for achieving better water quality. The land use scenarios also were required as an input into the hydrological modelling of their effects on water quality and to calculate their socio-economic effects. In a second survey the results of the scenarios and the hydrological modelling were presented to the stakeholders. The consultation process identified the priorities of the stakeholders which could then be taken into account when developing management options. Key words: European Water Framework Directive - river basin management - Havel River - scenarios - public participation - diffuse pollution - water quality - landscape ecology
Evaluation in der Praxis : aktuelle Beispiele aus der Stadt-, Regional- und Umweltentwicklung
(2005)
Landschaft
(2005)
Evaluation in der Praxis: : Aktuelle Beispiele aus der Stadt-, Regional- und Umweltentwicklung
(2005)
Im Zuge des Transformations- und Globalisierungsprozesses in Rumänien kommt es in den letzten 15 Jahren zu einer Annäherung an westliche Lebensmuster und parallel dazu zu einer Binnendiversifizierung der Lebensverhältnisse. Allerdings wird das Land nicht flächendeckend von den internationalen ökonomischen Verflechtungen erfasst, sondern es lässt sich eine noch stärkere regionale Ausdifferenzierung als vor der Wende von 1989 beobachten. Traditionelle und moderne Gesellschaften leben nach wie vor nebeneinander. In vielen ländlichen Räumen Rumäniens, so besonders in der wirtschaftlich eher schwachen Dobrudscha, haben sich traditionelle Lebensweisen, Besitzstrukturen, Arbeitstechniken und Bewirtschaftungsformen bis in die heutige Zeit erhalten. Im September 2004 wurden im Rahmen eines Geländekurses unter Berücksichtigung der Raum- und Minderheitenforschung sechs ausgewählte ethnische Minderheiten der Kulturlandschaft Dobrudscha, die in der wissenschaftlichen Literatur meist nur am Rande untersucht wird, während des noch laufenden Transformationsprozesses genauer betrachtet. Dabei wurde mit Hilfe von Experten- und Betroffenen-Interviews die ethnische, ökonomische, politische und kulturelle Situation in der Region dargestellt und analysiert. Karten, Tabellen und 50 Farbfotografien ergänzen den Band.
Voraussetzung für die nachhaltige Bewirtschaftung von Tieflandflusseinzugsgebieten ist ein umfassendes Verständnis der Wasserhaushalts- und Stofftransportprozesse in der Flussaue. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wasserhaushaltsprozesse und Stofftransportvorgänge innerhalb der grundwassergeprägten Talauenlandschaften von Tieflandeinzugsgebieten am Beispiel der im Nordostdeutschen Tiefland gelegenen Havel. Die Arbeiten in verschieden skaligen Teileinzugsgebieten der Havel beschäftigen sich dabei zum einen mit der experimentellen Untersuchung und vorrangig qualitativen Beschreibung der Wasserhaushaltsdynamik, zum anderen mit der Entwicklung eines zur quantitativen Analyse von Wasserhaushalts- und Stofftransportprozessen geeigneten Modells und der anschließenden Modellsimulation von Wasserhaushalt und Stickstoffmetabolik im Grundwasser sowie der Simulation von Landnutzungs- und Gewässerstrukturszenarien.
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.
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.
Die effektive Erzeugung von Wissen ist eine der zentralen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Informations- und Kommunikationstechnologien, wie die Neuen Medien, durchdringen alle Bereiche des täglichen Lebens. Sie ermöglichen den Zugriff auf gigantische Datenmengen, die die Grundvoraussetzung für die Generierung von Wissen darstellen, aber gleichzeitig eine Datenflut bedeuten, der wir ohnmächtig gegenüberstehen. Innerhalb der raumwissenschaftlichen Fachdisziplinen spielen die Neuen Medien für die Kommunikation von Sachinformation eine wichtige Rolle. Die internetbasierte Distribution von Karten, angereichert mit zusätzlichen Informationen in Form von Audiosequenzen oder Filmausschnitten, spiegelt diese Entwicklung wieder. Vor diesem Hintergrund erfolgt die Untersuchung der Frage, ob Neue Medien dazu genutzt werden können, raumwissenschaftliche Fachinhalte zu vermitteln. Von besonderem Interesse ist dabei die Frage, ob durch den Einsatz Neuer Medien in der Lehre ein Mehrwert für die Benutzer entsteht. Der Ausgangspunkt dieser Forschungsfrage besteht in der herausragenden Bedeutung von Visualisierung zur leicht verständlichen Darstellung komplexer Sachverhalte, sowie der entsprechenden Werkzeug- und Methodenkompetenz für die Nutzung Neuer Medien in den raumwissen-schaftlichen Disziplinen. Die Grundlage für die Entwicklung von mehrwertigen Lernangeboten ist die Betrachtung von Lernen als Kommunikationsprozess zur Konstruktion von Wissen, was bedeutet, dass der Entwickler derartiger Angebote über Möglichkeiten zur Optimierung dieses Kommunikationsprozesses verfügt. Auf dieser Basis erfolgt eine Erweiterung des in den raumwissenschaftlichen Disziplinen verwendeten Kommunikationsbegriffs um den Aspekt der Lehre von Fachinhalten. Als relevante Ansatzpunkte für die Optimierung der Kommunikation von Fachinhalten werden die didaktische und die mediale Aufbereitung identifiziert. Diese können zum einen die Motivation der Lernenden positiv beeinflussen und zum anderen durch Wirkung auf die Wahrnehmung der Lernenden zu einem vereinfachten Verständnis beitragen. Im Mittelpunkt der didaktischen Aufbereitung steht die problemorientierte Vermittlung der Inhalte, d.h. sie werden anhand konkreter Problemsituationen aus der Praxis vermittelt und gelten deshalb als besonders anschaulich und anwendungsorientiert. Bei der medialen Aufbereitung steht die Verwendung einer Kombination aus Text und Graphik/Animation im Mittelpunkt, die darauf abzielt, das Verstehen komplexer Sachverhalte zu erleichtern. Zur Überprüfung der Forschungsfrage haben Studierende raumwissenschaftlicher Studiengänge der Universität Potsdam das Lernangebot ausprobiert und anhand eines Fragebogens verschiedene Aspekte bewertet. Themenschwerpunkt dieser Evaluation waren die Akzeptanz, die Bedienbarkeit, die didak-tische und mediale Aufbereitung der Inhalte, die Auswahl und Verständlichkeit der Inhalte sowie die Praxistauglichkeit. Ein Großteil der Befragten hat dem Lernangebot einen Mehrwert gegenüber konventionellen Bildungsangeboten bescheinigt. Als Aspekte dieses Mehrwertes haben sich vor allem die Praxisnähe, die Unabhängigkeit von Zeit und Ort bei der Nutzung und die Vermittlung der Inhalte auf der Grundlage einer Kombination aus Text und interaktiven Animationen herauskristallisiert.
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.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wasserhaushaltsprozesse und Stofftransportvorgänge innerhalb der grundwassergeprägten Talauenlandschaften von Tieflandeinzugsgebieten am Beispiel der im Nordostdeutschen Tiefland gelegenen Havel. Die Arbeiten in verschieden skaligen Teileinzugsgebieten der Havel beschäftigen sich dabei zum einen mit der experimentellen Untersuchung und vorrangig qualitativen Beschreibung der Wasserhaushaltsdynamik, zum anderen mit der Entwicklung eines zur quantitativen Analyse von Wasserhaushalts- und Stofftransportprozessen geeigneten Modells und der anschließenden Modellsimulation von Wasserhaushalt und Stickstoffmetabolik im Grundwasser sowie der Simulation von Landnutzungs- und Gewässerstrukturszenarien. Für die experimentelle Untersuchung der Abflussbildung und der Wasserhaushaltsprozesse in den Talauenlandschaften des Haveleinzugsgebiets wurde Einzugsgebiet der ”Unteren Havel Niederung“ ein umfangreiches Messnetz installiert. Dabei wurden an mehreren Messstationen und Pegeln meteorologische Parameter, Bodenfeuchte sowie Grundwasserstände und Abflüsse beobachtet. Die Analyse der Messergebnisse führte zu einem verbesserten Verständnis von Wasserhaushaltsprozessen in der durch das oberflächennahe Grundwasser und die Oberflächengewässerdynamik beeinflussten Talauenzone. Darüber hinaus konnten durch die Implementierung der Messergebnisse konsistente Anfangs- und Randbedingungen für die Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung im Modellkonzept IWAN realisiert werden. Mit dem Modell IWAN (Integrated Modelling of Water Balance and Nutrient Dynamics) wurde ein Werkzeug geschaffen, welches die Berücksichtigung spezifischer hydrologischer Eigenschaften von Tieflandauen, wie z. B. den Einfluss des oberflächennahen Grundwassers bzw. der Dynamik von Oberflächenwasserständen auf den Wasserhaushalt, ermöglicht. Es basiert auf der Kopplung des deterministischen distribuierten hydrologischen Modells WASIM-ETH mit dem dreidimensionalen Finite-Differenzen-basierten Grundwassermodel MODFLOW. Die Modellierung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser erfolgt durch das mit Grundwassermodell gekoppelte Stofftransportmodel MT3D. Zur modellbasierten Simulation des Wasserhaushalts der Tieflandauenlandschaften wurde das Modellkonzept IWAN für verschieden skalige Teileinzugsgebiete an der Havel für Simulationszeiträume von 2 Wochen bis zu 13 Jahren angewandt. Dabei wurden die Teilmodelle für Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung in zwei unterschiedlichen Teileinzugsgebieten der ”Unteren Havel Niederung“ kalibriert. Die anschließende Validierung erfolgte für das gesamte Einzugsgebiet der ”Unteren Havel“. Die Unsicherheiten des Modellansatzes sowie die Anwendbarkeit des Modells im Untersuchungsraum wurden geprüft und die Limitierung der Übertragbarkeit auf andere grundwasserbeeinflusste Tieflandeinzugsgebiete analysiert. Die Ergebnisse der Wasserhaushaltssimulationen führen einerseits zum erweiterten Prozessverständnis des Wasserhaushalts in Flachlandeinzugsgebieten, andererseits ermöglichten sie durch die Quantifizierung einzelner Prozessgrößen die Beurteilung der Steuerungsfunktion einzelner Wasserhaushaltsprozesse. Auf der Basis lokaler Simulationsergebnisse sowie geomorphologischer und gewässermorphologischer Analysen wurde ein Algorithmus entwickelt, welcher die Abgrenzung des direkten Eigeneinzugsgebiets der Havel als Raum der direkten Interaktion zwischen Oberflächengewässer und umgebendem Einzugsgebiet beschreibt. Durch Simulation des Wasserhaushalts im Eigeneinzugsgebiet mit dem Modell IWAN konnten die Interaktionsprozesse zwischen Fluss und Talauenlandschaft quantitativ beschrieben werden. Dies ermöglichte eine Bewertung der Abflussanteile aus dem Eigeneinzugsgebiet sowie eine Quantifizierung der zeitlich variablen Retentionskapazität der Auenlandschaft während Hochwasserereignissen. Zur Abschätzung des Einflusses veränderter Landnutzung und angepassten Managements auf den Wasserhaushalt der Talaue wurden Szenarien entwickelt, welche Änderungen der Landnutzung sowie der Gewässergeometrie implizieren. Die Simulation des Wasserhaushalts unter jeweiligen Szenariobedingungen ermöglichte die detaillierte Analyse sich ändernder Randbedingungen auf den Gebietswasserhaushalt und auf die Austauschprozesse zwischen Grundwasser und Oberflächengewässer. Zur Untersuchung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser der Talauenlandschaft wurde das im Modellkonzept IWAN integrierte Stofftransportmodell MT3D für das Eigeneinzugsgebiet der Havel angewandt. Dies ermöglichte eine Bilanzierung der aus dem Grundwasser des Eigeneinzugsgebiets stammenden Nitratfrachtanteile der Havel sowie von Nitratkonzentrationen im Grundwasser. Szenariensimulationen, welche verminderte Nitrateinträge aus der durchwurzelten Bodenzone annehmen, ermöglichten die Quantifizierung der Effizienz von Managementmaßnahmen und Landnutzungsänderungen in Hinblick auf die Minimierung von Einträgen in Grundwasser und Oberflächengewässer.