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
Für die ariden Grenzbereiche der Ökumene wird eine besonders enge Kopplung zwischen physischen Umweltfaktoren und gesellschaftlicher Entwicklung diskutiert. Für die nordperuanische Küstenwüste deuten zahlreiche Arbeiten auf einen Zusammenhang zwischen Einschnitten in der kulturellen Entwicklung und El Nino induzierten, episodisch auftretenden katastrophalen Hochwasserereignissen, die den Bewässerungsfeldbau in Mitleidenschaft gezogen haben. Auch aus der süd-peruanischen Küstenwüste gibt es erste Hinweise auf klimainduzierte extreme Naturereignisse. Im Rahmen des beantragten Vorhabens soll über die geomorphologische Analyse der fluvialen Ablagerungen von 1. ausgewählten Fremdlingsflüssen und 2. autochthonen episodisch durchflossenen Tiefenlinien eine Hochwasserchronologie für das Einzugsgebiet des Rio Grande de Nazca (14 Grad 30'S) erarbeitet werden. Um mögliche Auswirkungen auf den Bewässerungsfeldbau zu belegen, wird drittens in Transekten die Verzahnung von Hochwasserablagerungen und Sedimenten, die dem Bewässerungsfeldbau zuzuordnen sind, untersucht. Die Untersuchungen werden dazu beitragen, die Klimaentwicklung und die Mensch-Umwelt-Interaktion in der peruanischen Küstenwüste im Jungholozän besser zu fassen.
Radarfernerkundung auf Basis der SAR-Satellitendaten der ERS-Plattformen ermöglicht die Aufzeichnung von Boden- und Vegetationsparametern, die vor allem mit den Faktoren Rauhigkeit, Wassergehalt und Salinität korreliert sind. Landnutzung in semi-ariden Regionen Westafrikas wird durch Übernutzung der Böden, Versalzung von bewässertem Land und Dezimierung von Baum- und Strauchschichten der Vegetation geprägt. Geeignete Methoden der Analyse von multitemporalen SAR-Daten der satellitengestützten Radarfernerkundung sollen helfen, vor allem regressive Veränderungen der Landnutzung zu erkennen und zu untersuchen. Informationen zu Bodenbedeckung, horizontaler Struktur der Vegetation und Bodenqualität sollen nachhaltige Entwicklungskonzepte unterstützen.
Ziel des Vorhabens 'Segetalflora Mustang' ist die Erfassung der wildwachsenden Flora von Dörfern und Fluren, sowie ergänzend von Dorf- und Flurwüstungen im Mustang District. Dieser Distrikt in Nord-Nepal, nahe der tibetischen Grenze, stellt einen ökologisch extremen Hochgebirgsraum nördlich des Himalaya-Hauptkammes dar. Das von Höhenlage und klimatischer Trockenheit geprägte Gebiet weist eine wechselvolle Siedlungsgeschichte und vielfältige ethnische und kulturelle Gliederung auf. Ackerbau ist nur in Bewässerungsoasen möglich. Die Segetal- und Ruderalflora erfüllt vielfältige ökologische Funktionen, außerdem kommt ihr erhebliche Bedeutung als landschaftsökologischem Indikator zu. Durch vergleichende Untersuchungen in Dörfern verschiedener Höhenlage, Geschichte und ethnischer Zugehörigkeit soll die Flora der Acker- und Ruderalflächen in ihrer Abhängigkeit von natürlichen und agrarökologischen Faktoren herausgearbeitet werden. Es soll geprüft werden, ob aufgrund des floristischen Inventars der Siedlungen Rückschlüsse z.B. auf ihr Alter oder auf ethnospezifische Formen der Landnutzung möglich sind. Darüber hinaus soll die Ackerunkrautvegetation des Dorfes Kagbeni vegetationskundlich erfasst werden.