Oxidationsverfahren werden seit Jahrzenten in der Wasseraufbereitung z.B. zur Desinfektion eingesetzt. In den letzten Jahren wird zudem Ozon als mögliche Aufbereitungsstufe für den Abbau von Schadstoffen in der Abwasseraufbereitung diskutiert und z. T. eingesetzt. Da Schadstoffe in der Regel nicht mineralisiert werden, kommt es zur Bildung einer Vielzahl von Transformationsprodukten, die in manchen Fällen eine größere toxische Wirkung haben können als ihre Ausgangssubstanzen. Diese Transformationsprozesse sind sehr komplex und wurden in den letzten Jahren intensiv in definierten Reinstwassersystemen untersucht. Hauptbestandteile der Wassermatrix wie z. B. organisches Material können jedoch ebenfalls in die Reaktionen eingreifen und ggf. die Bildung von Tranformationsprodukten beeinflussen. Dies ist möglich, da die Komplexen Transformationsprozesse häufig über die Bildung reaktiver Zwischenstufen geschieht. Das sind Übergangsprodukte wie N-zentrierte Radikale (Aminylradikale), die z.B. bei der Ozonung gebildet werden können. Die Reaktion dieser Radiale ist jedoch bisher kaum untersucht, so dass es schwer ist Transformationsreaktionen in Realsystemen vorherzusagen. Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit dem Einfluss von Matrixkomponenten auf Transformationsprozesse. Dabei sollen die Reaktionen reaktiver Zwischenstufen mit Modelverbindungen untersucht werden, die bestimmte funktionelle Gruppen des organischen Materials repräsentieren, wie z.B. phenolische Verbindungen. Im weiteren Projektverlauf soll der Einfluss komplexerer Substanzen wie Huminsäuren untersucht werden. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen Transformationsprozesse in realen Systemen besser zu verstehen und somit die Vorhersage von ggf. problematischen Transformationsprodukten zu erleichtern.
Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.
Grundwasserneubildung ist eine wichtige Komponente des natürlichen Wasserkreislaufs, die eine zentrale Bedeutung für die nachhaltige Nutzung der Grundwasserressourcen hat. Zukünftige Landnutzungsänderungen und Verschiebungen durch den Klimawandel erfordern mehr denn je detailliertes Wissen über räumliche Verteilung, Intensität und zeitliche Variabilität der Grundwasserneubildung, ebenso, wie der Eintrag von Düngemitteln und Agrochemikalien ins Grundwasser. Ihre Abschätzung und Messung ist jedoch schwierig, da sie räumlich und zeitlich sehr variabel ist, große Gebiete betrifft und nicht direkt von der Landoberfläche messbar ist. Die Anwendung von Messungen des natürlichen Neutronenhintergrunds an der Landoberfläche (CRNS) könnte erstmalig konkret dazu genutzt werden, Grundwasserneubildungsraten für größere Flächen als bisher abzuschätzen. Durch die hohe Sensitivität und die räumliche Mittelung der Methode kann nicht nur die Dynamik der Bodenfeuchte im Oberboden repräsentativ und nicht-invasiv erfasst werden, sondern ebenso Schnee, der als saisonaler Wasserspeicher einen relevanten und kurzfristigen Beitrag zur Grundwasserneubildung liefern kann. Die Forschungsfragen dieses Teilprojekts der Forschergruppe 'Cosmic Sense' konzentrieren sich darauf, 1) wie die gewonnenen CRNS Daten zur Abschätzung der Grundwasserneubildung eingesetzt werden können, auch wenn mit CRNS allein bisher noch keine komplette Wasserbilanz des gesamten Bodenkompartiments möglich ist; 2) diese Abschätzung bei der experimentellen Untersuchung mehrerer, unterschiedlicher Standorte einzusetzen und zu validieren; und 3) über CRNS erstmalig auch Schnee in die Bilanzierung einzubeziehen und Schneewasseräquivalente für hydrologische Modelle zur Verfügung zu stellen. Für die Interpretation der experimentellen Daten werden sowohl die Ergebnisse eindimensionaler Simulationen der Bodenwasserströmung herangezogen als auch der Vergleich mit einer hydrogeophysikalischen Messung der Wasserverteilung im Boden bis zum Grundwasser (in einem anderen Teilprojekt). Bei den beiden Großversuchskampagnen der Forschergruppe wird die Grundwasserneubildung für das am jeweiligen Standort (in einem anderen Teilprojekt) installierte großflächige CRNS-Bodenfeuchte-Netzwerk über diese Methodik ermittelt. Die räumliche Verteilung und zeitliche Dynamik der Grundwasserneubildungsrate wird dann in einem numerischen Grundwassermodell für das Gebiet zusammengeführt und beides wird zur Überprüfung der Gesamtwasserbilanz des Gebietes im jeweiligen Großversuch dienen.
In diesem Projekt wollen wir in einem Süßwasserhabitat die Koppelung der nitratabhängigen Methanoxidation (n-damo) mit dem Anammox Prozess nachweisen. Messungen der stabilen Isotope im Methan, Nitrat, Nitrit, Ammonium und DIC und molekularbiologische Methoden sollen helfen, diese Prozesse zu entschlüsseln. Zudem wollen wir klären, wie die Erkenntnis von einströmendem Grundwasser in das Habitat (Interaktion zwischen Grundwasser und Seewasser) zu erklären ist, dass die für die Prozesse (n-damo, Anammox, Methanogenese) benötigten stabilen Umwelt- bzw. anoxischen Redoxbedingungen vorliegen.
Eine integrierte Hydrosystemmodellierung ist aufgrund verschiedener räumlicher und zeitlicher Skalen sowie der Komplexitätsstufen der beteiligten Prozesse herausfordernd. Dennoch erfordern viele hydrologische Fragestellungen eine ganzheitliche Betrachtung durch eine fundierte Prozessbeschreibung mit einer Umsetzung in Modellkonzepte. Zu diesen Fragestellungen zählen beispielsweise Risikoanalysen und Modellierungen von Sturzfluten, die sowohl hydrologische als auch hydrodynamische Prozesse beinhaltet. Das Ziel des Projekts ist die integrierte Berücksichtigung von hydrologischen, hydrogeologischen, bodenphysikalischen und hydrodynamischen Prozessen innerhalb eines einzigen Modells. Dieser neuartige Modelltyp basiert auf der numerischen Interpolationsmethodik SPH (smoothed particle hydrodynamics) in Verbindung mit innovativen Skalierungsmethoden. Im Gegensatz zu etablierten Euler basierten Methoden erfolgt die zeitliche Integration über die dynamischen Partikel und nicht über ein starres Gitter. Für hydrodynamische Fragestellungen wird die SPH Methode bereits eingesetzt, eine Einbeziehung von hydrologischen, hydrogeologischen oder bodenphysikalischen Prozessen erfolgte bisher jedoch nicht, obwohl die Methodik aufgrund der numerischen Stabilität und flexiblen Erweiterbarkeit das Potential dazu besitzt. Die Umsetzung der Prozessbeschreibungen erfolgt durch die GPU-CUDA Technik für Nvidia Grafikkarten. Die innovative dynamische Skalierung ermöglicht die Übertragbarkeit von Prozessen der Wasserbewegung auf reale hydrologische Einzugsgebiete. Diese Skalierung basiert auf Ähnlichkeits-Konzepten aus der Bodenphysik. Daten zu den Böden und der Vegetation werden in Eigenschaftsfeldern bereitgestellt, wobei die einzelnen Parameter durch Verteilungsfunktionen beschrieben werden. Die Zuordnung der Parameter zu den Partikeln durch multiple Wahrscheinlichkeiten erfolgt in Analogie zu den Variationen in natürlichen Systemen. Die Dichte und Geschwindigkeit der Partikel werden über die Eigenschaftsfelder beeinflusst, während die Partikeleigenschaften die dynamische Skalierung vorgeben. Meilenstein 1 ist ein voll funktionsfähiges Modellsystem mit einer detaillierten Prozessbeschreibung auf der Plot Skala. Berücksichtigt werden die Interaktionen des Wassers mit der Vegetationszone, der ungesättigten und gesättigten Zone. Meilenstein 2 ist auf den Transfer des Detailmodells auf größere Skalen ausgerichtet (Skalierung). Meilenstein 3 umfasst die erfolgreiche Anwendung des Modells auf der Einzugsgebietsskala samt Validierung anhand umfangreicher Beobachtungsdaten (Hühnerwasser). Nach der Validierung wird das integrierte Modellsystem für Anwendungen mit hohen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Prozessskalen eingesetzt. Das Ziel ist die Bereitstellung einer zuverlässigen und realistischen Grundlage in Bereichen wie Sturzfluten oder Bewässerung, um Schadenpotentiale oder den Bewässerungsbedarf zu beurteilen.
Poröse Medien bieten exzellente Lebensbedingungen für Bakterien, da ihr Lebensraum geschützt ist aber trotzdem eine kontinuierliche Nahrungezufuhr möglich ist. Folglich existieren Mikroorgansimen in vielen natürlichen und technischen porösen Medien und haben dort einen großen Einfluss. Wenn diese für technische oder industrielle Anwendungen genutzt werden, ist es sehr wichtig die Wechselwirkungen zwischen Strömung, Transport und mikrobiologischen Prozessen zu verstehen. In der Literatur ist eine Vielzahl von Modellierungsmethoden vorhanden, jedoch sind diese in der Regel unter einphasigen Strömungsbedingungen entwickelt worden. Es ist schwierig mikrobiologische Prozesse in den natürlichen und komplexen Porenstrukturen von Gesteinen (wie z.B. Anhaften/Ablösen und Bildung von Biofilmen) zu beobachten und demzufolge sind diese Prozesse unzureichend erforscht. In diesem Projekt werden künstliche Strukturen geschaffen, die den Porenstrukturen des Gesteins nachempfunden sind und dafür benutzt, das Verhalten von Bakterien in mit zwei Phasen gesättigten porösen Medien zu untersuchen. Diese transparenten sozusagen zweidimensionalen Mikromodelle erlauben eine direkte Beobachtung der mikrobiologischen Prozesse, wie z.B. Wachstum, Transport und Anhaftung/Ablösung von Bakterien, durch mikroskopische Auswertungen. Die Bakterien, die für die experimentellen Untersuchungen eingesetzt werden, gehören zu der Klasse der methanogenen Archaeen. Die detaillierte Interpretation der experimentellen Ergebnisse durch Bilddatenverarbeitung erlaubt es, zeitlich und räumlich aufgelöste Datensätze für die Anzahl, Struktur und Bewegung der Bakterien zu erzeugen. Aus diesen Datensätzen wird ein verbessertes mathematisches Modell entwickelt, welches das Wachstum und die Bewegung von Bakterien in mit zwei Phasen gesättigten porösen Medien beschreibt. Das Modell soll das bakterielle Wachstum unter nicht-nährstofflimitierten Bedingungen, das Vorhandensein von verschiedenen bakteriellen Strukturen (Plankton und Biofilm), die individuellen Bewegungseigenschaften und die Anhaftungs- und Ablösevorgänge berücksichtigen. Um das neu entwickelte Modell zu testen und zu parametrisieren, wird es auf Basis eines diagonal-impliziten Runge-Kutta-Verfahrens, welches für die stark nicht-linearen Quellterme gut geeignet ist, numerisch umgesetzt. Die Anwendung des theoretischen Modells bezieht sich auf die Technologie der Untergrundmethanisierung, in welcher das injizierte Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid durch mikrobiologische Reaktionen in Methan umgewandelt wird.
Ziel des Projektes ist es, am Beispiel von Bewässerungslandwirtschaft in kleinen Einzugsgebieten Usbekistans den Wasser-Energie-Ernährungsnexus (Water-Energy-Food nexus, WEF) besser zu verstehen, und Optionen für seine nachhaltige Bewirtschaftung zu entwickeln. Nachhaltige Bewirtschaftung bedeutet in diesem Fall sowohl die Bereitstellung von Wasser für Kraftwerke und die Feldbewässerung (Level 1), als auch für Minimierung der Bodenversalzung, so dass die Böden langfristig für die Ernährungsproduktion und weitere Ökosystemleistungen erhalten bleiben (Level 2). Am Beispiel von Fallstudien in drei Wassereinzugsgebieten wird aufbauend auf hydrologischen, landwirtschaftlichen und institutionenökonomischen Kontextanalysen ein analytischer Rahmen mit Indikatoren entwickelt und für partizipative, ex-ante Nachhaltigkeitsbewertungen von Szenarien des WEF Nexus Managements genutzt. Das Projekt ist in vier Arbeitspakete gegliedert: (1) Analyse von 28 Einzugsgebieten bezüglich hydrologischer, agronomischer und sozio-ökonomischer Parameter und Auswahl von drei Fallstudiengebieten, (2) detaillierte Kontextanalyse in den drei Fallstudiengebieten mittels Stakeholderkonsultationen, Dokumentenanalyse und ergänzender Satellitendatenauswertung zur Ermittlung der wesentlichen Faktoren für ein nachhaltiges WEF Management und zur Entwicklung eines analytischen Rahmens mit Indikatoren für die Nachhaltigkeitsbewertung; (3) Entwicklung von Management Szenarien und Durchführung von partizipativen Nachhaltigkeitsbewertungen in Workshops mit Stakeholdern, die mittels des analytischen Rahmens ausgewählt wurden; (4) Synthese und Validierung der Ergebnisse aus den drei Fallstudien und Ableitung von übertragbaren Determinanten für das nachhaltiges Management des WEF-Nexus für Einzugsgebiete in Usbekistan. Der Ansatz kombiniert theoretische Konzepte aus der Institutionenökonomie (z.B. Collective Action, Polycentric Governance, Mental Models) mit wissenschaftlich etablierten Methoden der Kontextanalyse (fuzzy-set Qualitative Comparative Analysis fsQCA) und der Nachhaltigkeitsbewertung (Framework of Participatory Impact Assessment FoPIA), um die wesentlichen Nachhaltigkeitsaspekte und die damit verbundenen Konflikte für den WEF Nexus am Beispiel der Bewässerungslandwirtschaft in Usbekistan besser zu verstehen. Usbekistan hat die UN-Agenda 2030 unterzeichnet und sich damit zur Umsetzung der 17 Nachhaltigkeitsziele verpflichtet. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt möchte in einem integrierten Ansatz die wissenschaftliche Grundlage dafür verbessern.
Für eine zuverlässige Modellierung des globalen Kohlenstoffkreislaufs (und somit des globalen Wärmehaushalts) sind detaillierte Kenntnisse über die Menge an Treibhausgasemission/-absorption durch die Wasseroberfläche erforderlich. Die meisten Modelle zur Vorhersage des Gastransferkoeffizienten an der Wasser-/Luftgrenzfläche beruhen nach wie vor hauptsächlich auf empirisch ermittelten Gleichungen, in denen nur die Windgeschwindigkeit als Parameter in Betracht gezogen wird, obwohl der Beitrag des temperaturbedingten Auftriebs zum Gesamttransfer signifikant ist, vor allem bei niedrig bis mittleren Windbedingungen. Um die Genauigkeit der Bestimmung des Gastransferkoeffizienten an der Grenzfläche zu verbessern, wird eine detaillierte Beschreibung des auftriebsgesteuerten Gasaustausches in tiefen Wasserkörpern benötigt. Da bei mäßig bis schwer löslichen Gasen (z.B. Kohlendioxid, Sauerstoff, Methan) der Stofftransfer in einer sehr dünnen Schicht an der Wasseroberfläche stattfindet, ist es eine besondere Herausforderung die Transportprozesse innerhalb dieser dünnen Schicht aufzulösen. Trotz fortgeschrittener Entwicklung der optischen Messtechnik, liegen keine Daten von simultanen Vermessungen der Temperatur- und Gaskonzentrationsfelder unter gut-kontrollierten Laborbedingungen vor. In diesem Projekt wird der Transferprozess von Wärme- und Gas, induziert durch Oberflächenkühlung bei gleichzeitigem Messen der dynamischen Verteilung von Temperatur- und Gaskonzentration (i) auf der Wasseroberfläche und (ii) in einem vertikalen Schnitt im Wasserkörper, untersucht. Hierzu wird ein komplettes lifetime-based laser induced fluorescence System, geeignet um die Sauerstoffdynamik auch innerhalb der dünnen Grenzschicht aufzulösen, entwickelt. Um die Dynamik der Wärmestrukturen an der Oberfläche zu erfassen, wird eine hochpräzise Infrarot Kamera eingesetzt. Für die Ermittlung der 2D Wärmestrukturen im Wasserkörper wird eine intensitätsbasiertes LIF-Thermometrie System angewendet. Neue erste synoptische Labordaten von Wärme- und Gaskonzentrationsfeldern unter konvektionsinduzierter Strömung im relativ tiefen Wasser können damit dargestellt werden. Die Korrelation zwischen thermal und gas Plumes wird bestimmt und deren geometrischen Merkmale sowohl an der Wasseroberfläche als auch im Wasserkörper ermittelt. Des Weiteren wird der Zusammenhang zwischen diesen Merkmalen und der Wärme- und Gasflüsse ermittelt. Eine Reihe von Messungen im Wasserkörper werden zur Bestimmung der Transfergeschwindigkeit (k) über eine große Bandbreite von Temperaturunterschieden zwischen Wasserkörper und Luft durchgeführt. Dies ermöglicht den Zusammenhang zwischen k und der Rayleighzahl des Wasserkörpers zu bestimmen und mit den k-Werten, die durch direkte Quantifizierung anhand der detaillierten simultanen Messungen ermittelt werden, zu vergleichen. Dazu, werden für ausgewählte Fälle PIV- Messungen durchgeführt, um Informationen zum overall Geschwindigkeitsfeld zur Verfügung zu stellen.
Die Interpretation der Messergebnisse eines Cosmic Ray Neutron Sensing (CRNS)-Detektors benötigt ein tiefgreifendes Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse. In diesem Zusammenhang haben sich Monte-Carlo-basierte Vielteilchensimulationen, z.B. MCNPX, als sehr hilfreich erwiesen. Die allgemein akzeptierten Transferfunktionen um aus einer Neutronendichte die Bodenfeuchte zu berechnen, wurden semi-empirisch für idealisierte Bedingungen ermittelt. Die Effekte von Bodenbeschaffenheit, Vegetation und Schneebeschaffenheit werden teilweise durch Hinzufügen phänomenologisch motivierter Parameter berücksichtigt. Allerdings gibt es dazu bisher keine tiefergreifenden theoretischen Untersuchungen und Validierungen. Wir haben daher das Monte-Carlo Werkzeug namens URANOS entwickelt, welches speziell auf die Anforderungen der Umweltphysik und CRNS zugeschnitten wurde. Der benötigte Rechenaufwand konnte durch effektive, problemspezifische Methoden im Vergleich zu herkömmlichen Vielteilchensimulationen stark reduziert werden. In den letzten Jahren konnten wir damit das Verständnis der Signal-Reichweite-Beziehung deutlich verbessern und eine analytische Beschreibung unter Berücksichtigung von Umweltfaktoren herleiten. Das Hauptziel dieses Teilprojektes ist es, die Änderung des CRNS-Signals, hervorgerufen durch verschiedene Umweltfaktoren und Bodenstrukturen innerhalb des Einflussbereichs, zu verstehen. Dabei handelt es sich um folgende Faktoren: Bodenbeschaffenheit, vertikale Wasserverteilung in Boden und Luft, Landnutzung, Schneebedeckung, Bewuchs, und durch solches abgefangenes Wasser bei Regenfällen sowie generelle räumliche Inhomogenität. Um dies zu erreichen werden wir versuchen, Korrekturfunktion basierend auf physikalischen Modellen zu verwenden, um die wachsende Anzahl von empirischen und standortspezifischen Näherungen überflüssig zu machen. Zusätzlich werden die Neutronensimulationen benötigt, um den Einfluss verschiedener Detektoranordnungen zu untersuchen. Unverzichtbar sind die Neutronensimulationen für die Verbesserung bezüglich energieabhängiger Gewichtung und Weiterentwicklung der Neutronendetektoren sowie energiebereichsspezifischer Abschirmung. Des Weiteren werden sie für konzeptionelle Untersuchungen des Einflusses der Vegetation und weiterer Wasserspeicher benötigt. Für die Großversuchskampagne werden wir 3D-Modelle der Sensor-Standorte erstellen und die simulierten Messsignale den Arbeitsbereichen Großflächiges CRNS-Netzwerk und Mobiles CRNS zu Verfügung stellen. Schließlich können zusammen mit den Arbeitsbereichen Hydrologische Modellierung und Grundwasserneubildung räumlich-zeitliche Modellrechnungen durchgeführt werden um komplexe Zusammenhänge im Wasserhaushalt der Umwelt zu verstehen. Für die Weiterentwicklung des URANOS-Programms für den Einsatz im CRNS-Bereich benötigen wir die Vorschläge und Rückmeldungen der Nutzer.
Soil structure determines a large part of the spatial heterogeneity in water storage and fluxes from the plot to the hillslope scale. In recent decades important progress in hydrological research has been achieved by including soil structure in hydrological models. One of the main problems herein remains the difficulty of measuring soil structure and quantifying its influence on hydrological processes. As soil structure is very often of biogenic origin (macropores), the main objective of this project is to use the influence of bioactivity and resulting soil structures to describe and support modelling of hydrological processes at different scales. Therefore, local scale bioactivity will be linked to local infiltration patterns under varying catchment conditions. At hillslope scale, the spatial distribution of bioactivity patterns will be linked to connectivity of subsurface structures to explain subsurface stormflow generation. Then we will apply species distribution modelling of key organisms in order to extrapolate the gained knowledge to the catchment scale. As on one hand, bioactivity influences the hydrological processes, but on the other hand the species distribution also depends on soil moisture contents, including the feedbacks between bioactivity and soil hydrology is pivotal for getting reliable predictions of catchment scale hydrological behavior under land use change and climate change.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 651 |
| Kommune | 9 |
| Land | 5 |
| Wissenschaft | 650 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 651 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 651 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 450 |
| Englisch | 433 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 19 |
| Webseite | 632 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 634 |
| Lebewesen und Lebensräume | 570 |
| Luft | 408 |
| Mensch und Umwelt | 651 |
| Wasser | 636 |
| Weitere | 651 |