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Sonderforschungsbereich (SFB) 1253: Catchments as Reactors: Schadstoffumsatz auf der Landschaftsskala (CAMPOS); Catchments as Reactors: Metabolism of Pollutants on the Landscape Scale (CAMPOS), Sonderforschungsbereich (SFB) 1253: Catchments as Reactors: Schadstoffumsatz auf der Landschaftsskala (CAMPOS)

Das Verhalten anthropogener Schadstoffe im Landschaftsmaßstab stellt eine der größten Herausforderungen heutiger Umweltwissenschaften dar. Forschungsergebnisse der letzten zehn Jahre haben wiederholt gezeigt, dass Umsatzraten von Schadstoffen, die im Labor ermittelt wurden, im Widerspruch zu Feldbeobachtungen stehen. Dies weist darauf hin, dass wir die relevanten Prozesse, die den Schadstoffumsatz in der Natur bestimmen, nur unvollständig verstehen. Entsprechend sind wir nicht in der Lage, zukünftige Entwicklungen der Wasser- und Bodenqualität in Folge des Klima- und Landnutzungswandels zuverlässig vorherzusagen. Der SFB CAMPOS beruht auf der Hypothese, dass auf der Feldskala Prozesse maßgeblich sind, die in Laborexperimenten nur schwer zu erfassen sind. Viele Schadstoffe, die unter Laborbedingungen vergleichsweise schnell abgebaut werden, zeigen eine unerwartete Langlebigkeit im Feld; sie werden in Böden und Grundwasserleitern über lange Zeiträume gespeichert und können noch Jahre, nachdem der anthropogene Eintrag aufgehört hat, nachgewiesen werden. Während wichtige, aber langsame Prozesse in Laborstudien möglicherweise übersehen werden, erschwert die ausgeprägte hydrologische und biogeochemische Dynamik die Interpretation konventioneller Beobachtungskampagnen im Feld. CAMPOS zielt darauf ab, reaktive Landschaftselemente zu identifizieren und ihre Prozessdynamik mit ausführlichen Feldstudien zu biogeochemischen Umsätzen von Schadstoffen in einer beispiellosen Auflösung zu quantifizieren. Derartige Studien sind erst durch den enormen Fortschritt in der Analytik und Messtechnik der letzten Jahre (z.B. substanzspezifische Isotopen- und Enantiomeranalytik, 'non-target screening', Bioanalytik, insitu Sensoren, molekularbiologische Techniken inklusive omics) ermöglicht worden, die bislang noch nicht in gezielten Felduntersuchungen kombiniert wurden. Jedes im SFB vorgesehene Projekt vereinigt Expertise aus unterschiedlichen Disziplinen, die notwendig sind, um den Verbleib von Schadstoffen in der Natur zu verstehen. Die untersuchten Landschaftselemente umfassen Fließgewässer, den Übergang zwischen Gerinnen und dem Untergrund, Transekten im Grundwasser sowie verschiedene Bodenkompartimente. Ein neuer stochastischer Modellieransatz ermöglicht es, den reaktiven Stofftransport im Landschaftsmaßstab prozessbasiert zu modellieren und die damit verbundene Unsicherheit zu quantifizieren. Unser neuartiger multidisziplinärer Ansatz quantifiziert das langfristige Verhalten anthropogener Schadstoffe in der Umwelt, indem Einzugsgebiete als biogeochemische Reaktoren betrachtet werde. CAMPOS trägt somit zum Fortschritt der Umweltwissenschaften bei und schafft die Grundlage für realistischere Projektionen der zukünftigen Boden- und Wasserqualität unter den Bedingungen des Klima- und Landnutzungswandels.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1253: Catchments as Reactors: Schadstoffumsatz auf der Landschaftsskala (CAMPOS); Catchments as Reactors: Metabolism of Pollutants on the Landscape Scale (CAMPOS), Teilprojekt P08: Konzeptionelle Unsicherheit, Modellzulässigkeit und Optimierung von Datenerfassungsstrategien

Die landschaftsweite Modellierung des reaktiven Stofftransports beinhaltet eine nichteindeutige Auswahl von Teilmodellen (konzeptionelle Unsicherheit). Die vorliegende Komplexität der Landschaft macht den Einsatz komplexer Modelle erforderlich, wobei eine zu große Komplexität problematisch ist: solche Modelle lassen sich an eine Vielzahl von Datensätzen anpassen, besitzen aber nur begrenzte Vorhersagekraft. Das Projekt wird die konzeptionelle Unsicherheit des genutzten Modells untersuchen und quantifizieren, und prüfen, ob das Modell zulässig im Sinne der verfügbaren Daten ist. Das Modell wird dann genutzt, um Monitoringstrategien und die damit verbundene Modellierungs- und Feldaktivitäten des gesamten Konsortiums zu optimieren.

Geomorphographische Karte von Niedersachsen (10 m Rasterdaten)

Die Geomorphographische Karte stellt eine rein morphometrische Segmentierung des Reliefs in Form von Reliefeinheiten dar. Bei der Ableitung finden viele, z.T. sehr komplex zu berechnende Reliefparameter Eingang. Im Ergebnis werden in Anlehnung an die 5. Auflage der bodenkundlichen Kartieranleitung (Ad hoc AG Boden 2005) 6 Hauptklassen (Scheitelbereiche, Hänge, Konvergenz- und Divergenzbereiche, Verebnungen und Senkenbereiche) ausgewiesen, die jeweils nochmals untersetzt werden. Diese Feingliederung ermöglicht es innerhalb der Senkenbereiche kleinere Gerinne und Hochlagen abzugrenzen, Hänge mit unterschiedlichen prozesssteuernden Hangneigungen sowie Kulminationsbereiche in Hochlagen räumlich zu identifizieren und abzugrenzen. Die Geomorphographische Karte veranschaulicht die landschaftliche Gliederung eines Raumes und lässt Rückschlüsse auf das prozessuale Geschehen im Landschaftsraum zu. Sie ist damit eine wertvolle Grundlage zum Verständnis der Landschaftsgenese sowie für die Kartierung von Geologie und Boden. Scilands GmbH (2021): Dokumentation zur Reliefanalyse in Niedersachsen auf der Basis digitaler Höhenmodelle. – Erstellt im Auftrag des LBEG; Göttingen [Unveröff.].

Gewässerstrukturkartierung der Fließgewässer Bayerns 2023 (Vor-Ort-Verfahren): Auestruktur

Die Gewässerstrukturkartierung (GSK) aller nach EG-WRRL berichtspflichtigen, natürlichen Fließgewässer Bayerns – einschließlich der stark veränderten (HMWB) – erfolgte erstmals von Ende 2014 bis Anfang 2018. Für ausgewählte Strecken fand in den Jahren 2022 bis 2024 eine Fortschreibung der GSK statt. Die vorliegenden GSK-Daten (GSK Flgw 2023) beinhalten für jeden 100-m-Abschnitt die Ergebnisse der jüngsten Kartierung seit 2014 bis 2024. Visualisiert ist die Bewertung des Teilsystems Aue. Erfasst und bewertet wurde die Gewässerstruktur mit Hilfe des Eingabetools GSKmobil gemäß der Kartieranleitung „Gewässerstrukturkartierung von Fließgewässern in Bayern – Erläuterungen zur Erfassung und Bewertung“ (Bay. LfU 2018, siehe https://www.bestellen.bayern.de/shoplink/lfu_was_00152.htm). Die Daten bestehen aus Geometrien (100-m-Abschnitte der Gewässerläufe) und Sachdaten. Für jeden kartierten 100-m-Abschnitt liegen die Geometrie, Fotos, alle erfassten Ausprägungen von 28 Einzelparametern, und die daraus abgeleitete Bewertung von 22 Einzelparametern, 7 Hauptparametern, 2 Teilsystemen (Gewässerbett und Aue) sowie eine Gesamtbewertung vor. Öffentlich bereitgestellt sind die Geometrie, die Gesamtbewertung, die Bewertung der 2 Teilsysteme (Gewässerbett und Aue), der 7 Hauptparameter und wichtige Stammdaten der innerbayerischen 100-m-Abschnitte. Die vollständigen Stammdaten, die Ausprägungen und Bewertungen aller Einzelparameter, sowie Fotos zu den 100-m-Abschnitten stehen innerhalb des Geschäftsbereichs des bay. StMUV zur Verfügung und können bei Bedarf für spezifische Fachplanungen oder GIS-Analysen angefragt werden.

Gewässerstrukturkartierung der Fließgewässer Bayerns 2023 (Vor-Ort-Verfahren): Gesamtbewertung

Die Gewässerstrukturkartierung (GSK) aller nach EG-WRRL berichtspflichtigen, natürlichen Fließgewässer Bayerns – einschließlich der stark veränderten (HMWB) – erfolgte erstmals von Ende 2014 bis Anfang 2018. Für ausgewählte Strecken fand in den Jahren 2022 bis 2024 eine Fortschreibung der GSK statt. Die vorliegenden GSK-Daten (GSK Flgw 2023) beinhalten für jeden 100-m-Abschnitt die Ergebnisse der jüngsten Kartierung seit 2014 bis 2024. Visualisiert ist die Gesamtbewertung. Erfasst und bewertet wurde die Gewässerstruktur mit Hilfe des Eingabetools GSKmobil gemäß der Kartieranleitung „Gewässerstrukturkartierung von Fließgewässern in Bayern – Erläuterungen zur Erfassung und Bewertung“ (Bay. LfU 2018, siehe https://www.bestellen.bayern.de/shoplink/lfu_was_00152.htm). Die Daten bestehen aus Geometrien (100-m-Abschnitte der Gewässerläufe) und Sachdaten. Für jeden kartierten 100-m-Abschnitt liegen die Geometrie, Fotos, alle erfassten Ausprägungen von 28 Einzelparametern, und die daraus abgeleitete Bewertung von 22 Einzelparametern, 7 Hauptparametern, 2 Teilsystemen (Gewässerbett und Aue) sowie eine Gesamtbewertung vor. Öffentlich bereitgestellt sind die Geometrie, die Gesamtbewertung, die Bewertung der 2 Teilsysteme (Gewässerbett und Aue), der 7 Hauptparameter und wichtige Stammdaten der innerbayerischen 100-m-Abschnitte. Die vollständigen Stammdaten, die Ausprägungen und Bewertungen aller Einzelparameter, sowie Fotos zu den 100-m-Abschnitten stehen innerhalb des Geschäftsbereichs des bay. StMUV zur Verfügung und können bei Bedarf für spezifische Fachplanungen oder GIS-Analysen angefragt werden.

Reliefklassifikationsindex (10 m Raster)

Der Reliefklassifikationsindex (Terrain Classification Index for Lowlands, TCIlow) ist ein dimensionsloser auf 0-2 normierter Index, der auf Grundlage des Reliefparameters Höhe über Tiefenlinie und dem Bodenfeuchte-Index abgeleitet wird. Er überhöht lokal geringste Höhendifferenzen, insbesondere in Tiefenbereichen und stellt eine Fülle von Reliefdetails heraus. Auch bei wenig ausgeprägten Reliefunterschieden innerhalb von Tieflagen werden hierin befindliche Gerinne und flache Senken erkennbar. Der TCILow ist im Tiefland einerseits sehr gut für die Segmentierung der Landschaft (z.B. flache und kuppige Geestplatten, Urstromtäler, Flugsanddecken und- Dühnen, flach liegende Marschen), andererseits für die Differenzierung lokaler Höhenunterschiede und relative Lage zum Grundwasser (z.B. Abgrenzung äolische/fluviatile Sedimente und Talungen, Abtorfungs- und Eschkanten) geeignet. Im stärker reliefierten Bergland hingegen ist die Ausprägung des Index weniger differenziert und daher weniger gut für Auswertungen verwendbar. BOCK, M., BÖHNER, J., CONRAD, O., KÖTHE, R. & RINGELER, A. (2007): Methods for creating Functional Soil Databases and applying Digital Soil Mapping with SAGA GIS. Scilands GmbH (2009): Kurzdokumentation morphometrischer Reliefparameter – Erstellt im Auftrag des LBEG; Göttingen [Unveröff.].

Geologische Karte 1:50.000 von Schleswig-Holstein

Die geologische Karte von Schleswig-Holstein 1:50.000 stellt die oberflächennahen geologischen Verhältnisse bis zwei Meter Tiefe im Land flächendeckend dar. Den im Bereich jeder abgegrenzten Fläche übereinander anstehenden Schichten werden Alter (Stratigraphie), Gesteinszusammensetzung (Lithologie) und Entstehung (Geogenese) zugeordnet. Die Symbolfarbe der Legende wird i. d. R. durch die Eigenschaften der oberen Schicht bestimmt. Die Zeichen in den Flächen stehen i. d. R. für die unterlagernde Schicht. Die Gesteine von Gewässerbetten werden nicht ausgewiesen. Wattflächen werden undifferenziert dargestellt. Die Bezeichnung der geologischen Einheiten beziehen sich auf den Symbolschlüssel Geologie. Die geogenetischen Begriffsdefinitionen gehen auf die geologische Kartieranleitung (AG Geologie) zurück. Informationen zum Symbolschlüssel und zu den Begriffsdefinitionen stehen im Internet zur Verfügung. Die Symboleinheiten der Legende entstehen durch die Vereinfachung und Zusammenfassung (Generalisierung) von Kartiereinheiten (KE), die aus bis zu vier Schichten bestehen können. Sie sind in Kurzform für jede Fläche beschrieben. Erläuterungen zu den Attributen der Flächen und die Generallegende stehen als PDF-Dateien begleitend zur Verfügung.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1685: Ecosystem nutrition: forest strategies for limited phosphorus resources; Ökosystemernährung: Forststrategien zum Umgang mit limitierten Phosphor-Ressourcen, Soil type and land use as potential control mechanisms of river eutrophication

Excessive nutrient input largely impacts community structure and functioning of stream ecosystems in Central Europe (eutrophication). Within this project, we aim to evaluate the eutrophication potential of stream ecosystems. As a first step to achieve this aim, main control mechanisms influencing stream eutrophication have to be identified. We will analyze the impact of soil nutritional status (especially phosphorus), soil storage capacity, and soil nutrient release as well as land use on periphyton-grazer interaction. Therefore, we will study the periphyton-grazer interaction in the running water of 4 small catchments that differ with respect to their nutritional status, speciation and release at a forest site and an pasture site. In the field survey we will study (1) The input of macro nutrients (P and N), (2) community structure and biomass of periphyton and grazers, (3) emergence and (4) complexity of the food web and compare the results among the catchments. The periphyton-grazer interaction along nutrient gradients will be studied in more detail using laboratory flumes. By the use of geostatistical and remote sensing techniques we will interpolate macro nutrient input, -speciation and seasonality for the different catchments and link this information to periphyton quantity and quality as well as to periphyton-grazer interaction.

Ermittlung von Fliesszeit und longitudinaler Dispersion in Bundeswasserstrassen mit 3HHO als Leitstoff

Erweiterung eines hydraulisch-mechanisch gekoppelten Modellwerkzeugs für Geotechnische Analysen

Hydraulische Beanspruchung von Gewässersohle und Ufersicherung infolge Schiffswellen Das Vorhaben steht in Bezug zu laufenden FuE-Vorhaben der Abteilung Geotechnik. So sollen Modellerweiterungen das entstehen von scher-induzierten Porenwasserdrücken (Fragestellungen des Referats G2) und das wirken von Wurzeln im Bodenmaterial (Fragestellung des Referats G4) in der numerischen Abbildung beurteilbar machen. Aufgabenstellung und Ziel Der Schiffsverkehr führt zu temporären Wasserspiegelschwankungen, die auf die Kanalsohle und die Uferbereiche in Form von induzierten Strömungskräften einwirken. Diese hydraulischen Einwirkungen sind gerade aufgrund ihres zeitlichen Verlaufs von besonderer Bedeutung für die Scherfestigkeit der Gewässersohle und damit für die Standsicherheit der Ufereinfassungen. Ziel des Forschungsvorhabens ist ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Grundwasserströmung und Korngerüst, die durch Schiffswellen in der Gewässersohle hervorgerufen werden. Die Gewässersohle wird dabei als poröses Medium betrachtet, das aus den Bodenkörnern, dem Korngerüst sowie dem Porenfluid besteht. Die hydraulische Durchlässigkeit (bezogen auf die Absunkgeschwindigkeit), die Steifigkeit des Korngerüstes und die Steifigkeit des Porenfluids sind entscheidende Faktoren für die Entstehung von lokalen Porenwasserüberdrücken und die sich daraus ergebenden Strömungsprozesse. Wobei die Steifigkeit des Korngerüsts im Wesentlichen durch die Menge der natürlich vorkommenden Gasblasen im Porenraum beeinflusst wird. Dieses Projekt untersucht die Interaktion zwischen den Wasserspiegelschwankungen in Oberflächengewässern und der Gewässersohle anhand von mathematisch-analytischen sowie numerischen Methoden. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Ziel ist es, eine umfassende und fundierte Beratung der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes sicherzustellen. Dazu ist es erforderlich, geeignete Modellierungswerkzeuge weiterzuentwickeln und deren Qualität zu sichern. Diese Analysemethoden sollten in der Lage sein, die Wechselwirkungen zwischen Strömung, Bodenverformung und Grundwasserströmung zu beschreiben. Ein vertieftes Prozessverständnis soll eine sicherheitstechnisch und wirtschaftlich zuverlässige Auslegung von Ufersicherungen unterstützen. Untersuchungsmethoden Grundlage der Untersuchungen bildet eine zeitliche, schiffsinduzierte Druckrandbedingung auf dem Gewässerbett, die durch eine lineare Approximation vereinfacht wird. Diese vereinfachte Darstellung dient als Randbedingung für eine analytische Lösung (Montenegro et al. 2015). Für eine eindimensionale Bodensäule und homogene Bodenverhältnisse liefert diese Gleichung, die aus der Druckrandbedingung resultierenden Porenwasserüberdruckverteilungen zu beliebigen Zeitpunkten. Diese analytische Lösung wird verwendet, um den Einfluss einer Wasserspiegelabsenkung auf einen kohäsionslosen Boden zu untersuchen. Hierzu wird die Porenwasserdruckverteilung am Zeitpunkt des maximalen Wellenabsunks ausgewertet. Ein Absunk von 0,6 m in 5 s wurde als charakteristischer Bugabsunk an den Wasserstraßen ermittelt. Aus den daraus resultierenden Druckverteilungen werden die entsprechenden Verteilungen des hydraulischen Gradienten und der effektiven Spannung bestimmt, um die Sohlstabilitäten für verschiedene Baugrundbedingungen zu beurteilen.

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