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Anpassungsfähige Vereinbarungen über die gemeinschaftlichen Vorteile von künstlicher Grundwasseranreicherung im Mittelmeerraum, Teilprojekt 2

LURCH - KIMoDIs: KI-basiertes Monitoring-, Datenmanagement- und Informationssystem zur gekoppelten Vorhersage und Frühwarnung vor Grundwasserniedrigständen und -versalzung, Teilprojekt 6

Veranlassung Die Fördermaßnahme LURCH lässt sich in drei übergeordnete Themenfelder untergliedern. Dazu gehören: - Quantitative Herausforderungen, in Bezug auf ein integriertes Systemverständnis der Grundwasserleiter unter Einbeziehung aller beeinflussenden natürlichen Schnittstellen (Oberflächengewässer, Grundwasserneubildung, saline Wässer, etc.) und aller Akteure und Funktionen (Trinkwasserversorgung, Land- und Forstwirtschaft, Industrie, Wärme- oder Kältespeicher, Ökosystemfunktionen) - Qualitative Herausforderungen, z. B. stofflich (Nitrat, aktuelle Schadstoffe, Spurenstoffe, Krankheitserreger, künftige regulatorische Qualitätsparameter), analytisch (z. B. Non-Target Analytik, Indikatoren), technologisch (z. B. In-situ Behandlung, Überwachung) - Herausforderungen der nachhaltigen Bewirtschaftung, multidimensionale und integrierte Bewirtschaftungsstrategien (z. B. Grundwasseranreicherung), wirtschaftliche Anforderungen (z. B. Investitions-/Betriebskosten) und Digitalisierungsmaßnahmen Das Augenmerk der Fördermaßnahme liegt auf der Unterstützung der erfolgreichen Entwicklung, Demonstration und Umsetzung von anwendungsorientierten Lösungen, die in interdisziplinären Verbundprojekten wie KIMoDIs erarbeitet werden. Um die verfügbaren Grundwasserressourcen optimal und nachhaltig zu nutzen, entwickelt das Projekt ein Monitoring-, Datenmanagement- und Informationssystem zur gekoppelten Vorhersage und Frühwarnung vor Grundwasserniedrigständen und -versalzung, das auf Methoden der KI basiert. Die Ergebnisse werden in einem nutzerspezifischen Entscheidungshilfe-Tool zusammengeführt, welches mittels verschiedener Klima- und Nutzungsszenarien standortspezifisch eine intelligente Planung von Gegenmaßnahmen ermöglichen soll. Ziele Ziele des Gesamtprojekts: - Entwicklung eines auf KI basierenden Monitoring-, Datenmanagement- und Informationssystems zur kurz- (saisonal), mittel- (1 bis 10 Jahre) und langfristigen (bis 2100) Vorhersage von Grundwasserständen und -versalzung. - Aufbau eines anwenderspezifischen Entscheidungs-Unterstützungssystems zur frühzeitigen Warnung vor Grundwasserniedrigständen und -versalzung sowie den damit verbundenen Schäden. - Zusammenführung aller erforderlichen Messdaten in einem intelligenten Datenmanagementsystem. - Berücksichtigung verschiedener Nutzungsszenarien zur standortspezifischen, intelligenten Planung von Gegenmaßnahmen. - Die methodische Entwicklung und Demonstration des Ansatzes erfolgt überregional im Land Brandenburg, unter großräumiger Betrachtung aller Aspekte wie den Entnahmen für Trinkwasserversorgung, Industrie und Landwirtschaft, zeitlich hochaufgelöstem Monitoring der Bewässerungslandwirtschaft sowie der Gefahr durch Tiefenversalzung infolge von Übernutzung. - Der entwickelte Ansatz wird in der Folge übertragen und getestet 1. auf regionaler Ebene, für ein Einzugsgebiet der Harzwasserwerke in Niedersachsen mit Fokus auf problematische Auswirkungen niedriger Grundwasserstände, und 2. auf lokaler Ebene, am Beispiel der Insel Langeoog mit Betrachtung der touristisch bedingten starken Variabilität des saisonalen Wasserbedarfs bei zunehmender Trockenheit sowie Gefährdung der Trinkwasserversorgung durch Versalzung. Die BfG leitet das Arbeitspaket 4 „KI-gestützte Wasserhaushaltsmodellierung“. Hierfür gelten folgende Ziele: -- Bereitstellung von simulierten und vorhergesagten Wasserhaushaltsgrößen für die Pilotregion „Untere Havel“, speziell für den Havelnebenfluss Nuthe und die Wasserversorgung Potsdam EWP. - Berechnung der flächendifferenzierten und zeitlich hochauflösenden Wochenmittel der Grundwasserneubildung (GWN) mittels klassischer Verfahren und KI-basierter Algorithmen. - Prozess- bzw. Konzeptmodell und KI-basierte Ansätze zur Berechnung der Grundwasser-Oberflächengewässer-Interaktion. - Kurz-, Mittel- und Langfristvorhersagen der GWN mit einem hybriden Modellsystem. - Zur Unterstützung der Machine Learning (ML)-Modelle zur Berechnung der Grundwasserneubildung werden

Atominterferometrie für die quantitative Wassermessung im Untergrund (ATOMAQUA), Teilvorhaben: Neuartiges Lasersystem-Konzept für die Atominterferometrie

Atominterferometrie für die quantitative Wassermessung im Untergrund (ATOMAQUA), Teilvorhaben: Quantengravimeter für Hydrogeologie

Semi-airborne elektromagnetische Exploration von Aquiferen in der Kalahari, Afrika, Teilprojekt 1

Partizipative Visionsbildung für kollektives Handeln in der Bewirtschaftung natürlicher Ressourcen

Nicht nachhaltige Ergebnisse des Managements landwirtschaftlicher und natürlicher Ressourcen (NRM) sind häufig das Ergebnis sozialer Dilemmasituationen, d. h. individuell rationales Verhalten führt zu gesellschaftlich unerwünschten Ergebnissen. Beispiele sind die Übernutzung von Grundwasservorräten und Bewässerungssystemen, Wasserverschmutzung und Landumwandlung durch landwirtschaftliche Produktion, sowie Abholzung und Übernutzen von Allmendewäldern. Der Übergang zu gesellschaftlich wünschenswerten Zuständen in solchen Situationen erfordert kollektives Handeln zwischen heterogenen Akteuren. Vor dem Hintergrund verhaltensökonomischer Erkenntnisse über menschliches Verhalten deutet eine breite Literatur darauf hin, dass partizipative Ansätze das Potenzial haben, kollektives Handeln in solchen Situationen wirksam zu fördern. Partizipative Ansätze werden zunehmend in der Praxis verwendet, und jüngste experimentelle Forschungen legen nahe, dass solche Ansätze tatsächlich das Potenzial haben, nachhaltiges Verhalten zu fördern. Allerdings unterscheiden sich partizipative Maßnahmen und ihre Ergebnisse in der Praxis erheblich. Konkrete Methoden können z.B. auf Problembewusstsein, Perspektivübernahme, Zielsetzung, Visionsbildung, sozialem Lernen und/oder Strategiebildung fokussieren. Daher wurde ein differenzierteres Verständnis gefordert, wie partizipative Ansätze für NRM am besten gestaltet werden sollten und welche spezifischen Methoden am wirksamsten sind. Eine potenziell vielversprechende Methode ist die partizipative Visionsbildung (PVB), die darauf abzielt, gemeinsame Visionen über wünschenswerte Zukünfte zu entwickeln. Visionen gehen dabei über bloße Zielerklärungen hinaus und fordern dazu auf, sich vorzustellen, wie es sich anfühlt, den gewünschten zukünftigen Zustand erreicht zu haben. Dadurch werden die erklärten Ziele erfahrbar und inspirierend und positive Emotionen können aktiviert werden. Obwohl das Potenzial von PVB in der Literatur hervorgehoben wird, ist der kausale Zusammenhang zwischen PVB und kollektivem Handeln in sozialen Dilemmasituationen noch nicht getestet worden, und auch die zugrundeliegenden Mechanismen, wie sich PVB auf kollektives Handeln auswirkt, sind noch nicht entschlüsselt worden. Um diese Lücken zu schließen, verfolgt dieses Projekt zwei Ziele: (i) die Analyse der kausalen Auswirkungen von PVB auf kollektives Handeln in sozialen Dilemmasituationen und (ii) die Analyse der möglichen Mechanismen, die diesen Auswirkungen zugrunde liegen. Die Innovation liegt in der Entwicklung und Umsetzung eines experimentellen Ansatzes in Form eines Labor-im-Feld-Experiments mit Landwirten, das es ermöglicht, die Auswirkungen von PVB von anderen Elementen von Partizipation zu unterscheiden und die Kausalität zu bewerten. Das Experiment soll im Rahmen eines landwirtschaftlich genutzten Wassersystems in den kolumbianischen Anden durchgeführt werden.

Naturschutz im Wandel - Anpassung an Landnutzungsänderungen und Klimawandel in Süd-Madagaskar (Promotionsvorhaben)

Madagaskar ist ein Hotspot der Biodiversität, dessen weltweit einzigartige Vielfalt durch anthropogene Überformung stark bedroht ist. Die besonders arten- und endemitenreichen Dornenwälder des Südens sind durch ihre langsame Regeneration zusätzlich gefährdet. Der voranschreiten-de Klimawandel, der durch zunehmende Trockenheit und häufiger auftretende Extremwetterereignisse gekennzeichnet ist, wird zu veränderter Landnutzung wie der Erschließung neuer Anbauflächen führen. Diese fortschreitende Übernutzung der natürlichen Ressourcen bedingt den weiteren Verlust der biologischen Vielfalt und des Naturraumpotenzials der Ökosysteme. Die synergetisch wirkenden Folgen des Klimawandels können somit verheerende Auswirkungen auf die bereits eingeschränkte Funktionalität der Ökosysteme haben. Ein Verständnis der Landnut-zung ist damit unabdingbar zur Abschätzung der Gefährdung und des Erhaltungszustands der Ökosysteme. In drei Untersuchungsgebieten sollen vergangene und zukünftige Veränderungsprozesse von Ökosystemen und sozioökonomischen Faktoren untersucht werden. Durch die Verschneidung und Modellierung von Fernerkundungsdaten mit Daten der Sozioökonomie und der Einarbeitung bestehender Szenarien soll eine Abschätzung der potenziellen Landnutzungsänderungen unter sich verändernden Parametern ermöglicht werden. Das Anthroposystem, einschließlich des menschlichen Landnutzungssystems, wird dabei als Subsystem der Ökosysteme betrachtet. Aus der Entwicklung neuer Szenarien werden in Abstimmung mit Landnutzerinnen und Landnutzern proaktive Schutzkonzepte sowie Handlungsoptionen für Politik und Naturschutz abgeleitet. Bestehende Konzepte werden darüber hinaus hinsichtlich der Berücksichtigung dynamischer Prozesse evaluiert. Diese antizipierende und proaktive Managementforschung basiert nicht primär auf dem Monitoring von Klimawandel und der Untersuchung der unmittelbaren Folgen, sondern erprobt durch die Anpassung von Naturschutzstrategien einen weltweit noch jungen und für Ma-dagaskar neuartigen Ansatz. So soll ein Beitrag zum Schutz der weltweit einzigartigen Dornenwälder Süd-Madagaskars und der Verbesserung der Lebensbedingungen der Landbevölkerung geleistet werden.

Zeitliche und räumliche Dynamik der Mutationslast des Antarktischen Prädatoren Arctocephalus gazella

Die Resilienz natürlicher Populationen gegen Umweltveränderungen wird von der Menge schädlicher Mutationen in der Population, d.h. ihrer Mutationslast bestimmt. Deren Fitnesseffekt hängt vom Selektionsdruck und der Populationsgröße ab, welche beide in Raum und Zeit veränderlich sind. Auswirkungen dieser Dynamik auf die Mutationslast sind wenig erforscht, was unser Verständnis der Gefährdung von Arten durch Umweltveränderungen behindert. Drastische Reduzierungen der Populationsgröße führen zu Inzucht, was die Mutationslast stärker exponiert und selektiv wirksam macht. Dies verursacht eine Fitness-Reduktion betroffener Individuen, ermöglicht aber auch eine Entfernung schädlicher Mutationen durch Purging, was die Mutationslast langfristig verringern kann. Folglich hat Übernutzung in der Vergangenheit die Mutationslast vieler Arten beeinflusst, vor allem in der Antarktis, wo Robben- und Walfang große ökologische Auswirkungen hatten. In meinem Projekt plane ich durch Genomsequenzierung räumliche und zeitliche Dynamiken der Mutationslast in Antarktischen Pelzrobben zu erforschen. Dabei verfolge ich drei komplementäre Ziele. Erstens werde ich räumliche Dynamiken der Mutationslast durch den Vergleich von sechs Populationen mit unterschiedlicher effektiver Populationsgröße und Geschichte untersuchen. Erkenntnisse zur Mutationslast dieser Populationen liefern Aufschluss über deren Gefährdung durch Umweltveränderungen. Zweitens werde ich Langzeit-Dynamiken der Mutationslast durch eine Quantifizierung von Purging zu verschiedenen Zeitpunkten der Populationsgeschichte analysieren. Ein Vergleich von Regionen innerhalb des Genoms welche vor, während und nach dem durch Robbenjagd verursachten Flaschenhals von Inzucht betroffen waren, wird über das genetische Erbe dieses Eingriffes aufklären. Schließlich werde ich kurzfristige Dynamiken der Mutationslast untersuchen, indem ich den Umwelteinfluss auf die Mutationslast einer rückläufigen Population in Südgeorgien analysieren werde. Dort hat sich der Selektionsdruck auf die Robben durch den von Erwärmung getriebenen Rückgang des Antarktischen Krills erhöht. Eine einzigartige, vier Jahrzehnte umfassende Langzeitstudie erlaubt hier die Erforschung des Zusammenhangs der Mutationslast und dem Fitnessmerkmal „Rekrutierungs-Erfolg“. Dies kann zeigen, ob aktuelle Umweltveränderungen die Mutationslast durch Purging verringern, was für die Beständigkeit der Populationen relevant ist. Mein Projekt kombiniert hochauflösende genomische Verfahren mit einem herausragenden Untersuchungssystem und verspricht neue Erkenntnisse zur Beständigkeit eines antarktischen Prädatoren. Diese sind essentiell für das Verständnis der Resilienz des Ökosystems des Südpolarmeeres. Durch die Einführung moderner genomischer Methoden in ein polares Modellsystem werde ich zum SPP beitragen können, zudem werde ich mich durch Kollaborationen und das Ausrichten eines Workshops zu reproduzierbarem coding in die breitere SPP-Gemeinschaft integrieren.

Endemische Frankoline Äthiopiens

In Äthiopien kommen zwei endemische Frankolin-Formen vor. Eine davon ist das Schwarzstirn-Frankolin Pternistis atrifrons, ein Bewohner der Gebirgszüge im Süden des Landes, der seit den 1940er Jahren nicht mehr beobachtet wurde und von dem wir im Jahre 2012 eine kleine Population wiederentdeckt haben. Seitdem haben wir mit Hilfe verschiedener Erfassungsmethoden und durch Befragungen der lokalen Bevölkerung so viele Daten zusammengetragen, dass eine erste Abschätzung der Populationsgröße und die Modellierung des potentiellen Vorkommensgebietes möglich wurden. Diese Ergebnisse belegen eine sehr kleinräumige Verbreitung mit einer ausgesprochen Bevorzugung der kühleren und feuchteren Gipfellagen der Gebirge. Aufgrund des in diesen Gebieten seit geraumer Zeit stark zunehmenden Nutzungsdrucks (vor allem durch Entwaldung und Ausbreitung der Landwirtschaft) wird das ohnehin fragmentierte Verbreitungsgebiet des Schwarzstirnfrankolins weiter zerstückelt. Auf Basis unserer Empfehlungen wurde das Schwarzstirn-Frankolin kürzlich von der IUCN in die hohe Gefährdungskategorie 'Endangered' eingruppiert. Dennoch ist die Modifikation und Ausweitung der momentan projektierten Schutzgebietsgrenzen in der Region nach wie vor nötig. Nur wenn es gelingt, die isolierten Gebirgszüge in die Schutzgebiete einzubeziehen und deren weitere Übernutzung umgehend zu unterbinden, bestehen noch Überlebenschancen für diese seltene Vogelart. Dieses Projekt ist Teil eines Forschungsvorhabens über äthiopische Vögel und ist vernetzt mit einem Projekt zur Landnutzung und zum Schutz äthiopischer Frankoline.

Grundwassermeßstelle des gewässerkundlichen Dienstes (Landesmessstelle)

Das Messnetz mit zugehörigen Untersuchungsprogrammen und Datendiensten ist zugleich ein Frühwarnsystem für großräumige natürlich und menschlich verursachte Veränderungen des Grundwassers, beispielsweise Versauerung, Klimafolgen, Belastungsveränderungen und Übernutzungen.

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