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.
Das hier beantragte Wissenstransferprojekt soll die Anwendungsreife von Ergebnissen aus zwei früheren DFG-Forschungsprojekten zu Wasserbewirtschaftungsfragen in semi-ariden Regionen erreichen. Der Fokus wird dabei auf der Methodenübertragung und Ergebnisnutzung für die Entwicklung eines Dürrevorhersage und -managementsystems liegen. Die hier erwähnten DFG-Projekte sind: Sediment Export from large Semi-Arid catchments: Measurements and Modelling), und Generation, transport and retention of water and suspended sediments in large dryland catchments: Monitoring and integrated modelling of fluxes and connectivity phenomena. Der Praxispartner ist die Behörde für Meteorologie und Wasserressourcen des Bundesstaates Ceara (FUNCEME) im Nordosten Brasiliens. Diese führt auch Prognosen für das wasserwirtschaftliche System Cearas durch, welches durch eine stark negative klimatische Wasserbilanz und mehrere tausend (meist kleine) Stauseen gekennzeichnet ist. Es ist vorgesehen, das existierende Wasserbewirtschaftungssystem SIGA von FUNCEME mit dem prozessbasierten hydrologischen Modell WASA-SED zu kombinieren. Das WASA-SED Modell, welches aus den o.g. DFG-Projekten stammt, wurde spezifisch für semiaride meso-skalige Einzugsgebiete konzipiert und entwickelt. Damit werden die charakteristischen hydrologischen Prozesse, einschließlich von Transport- und Konnektivitätsphänomenen im Gewässernetz und den Stauseen simuliert. Die geplanten Arbeiten sind in verschiedene Ebenen gruppiert: (1) Integration des WASA-SED-Modells mit dem SIGA-System um den regionalen Wasserbehörden und Flussgebietskommissionen eine direkte Information über aktuelle und prognostizierte Werte der Stauseefüllungen, Abflüsse an bestimmten Flussabschnitten und anderen Wasserressourcen zu ermöglichen; (2) Effiziente Kommunikation der Ergebnisse mit verschiedenen Stakeholdergruppen und Möglichkeit zur Weiternutzung der Ergebnisse. (3) Anwendung von WASA-SED im Vorhersagemodus, d.h. Nutzung von kurzfristigen und saisonalen meteorologischen Vorhersagen zur Prognose der Wasserverfügbarkeit bei unterschiedlichen Vorhersagezeiträumen. (4) Nutzung der prozess-basierten Struktur von WASA-SED um Effekte sich ändernder Randbedingungen zu untersuchen, besonders bzgl. des dichten Netzes aus Stauanlagen. Wir erwarten aus dem Projekt auch Impulse für neue Forschungsfragen als Ergebnis der Integration der Wasserbewirtschaftung und -infrastruktur in das Modellsystems, so evtl.: (1) Untersuchung und Modellierung der saisonalen Dynamik der Verluste in semiariden Flusssystemen und Ableitung eines dafür geeigneten Abflussroutingansatzes; (2) Quantifizierung und Modellierung der hydro-sedimentologischen Konnektivität in komplexen, vom Menschen stark geformten Hydrosystemen, einschließlich der Effekte des dichten Stauseenetzes, Wasserüberleitungen und der teilweise künstlich verbundenen Teileinzugsgebiete.
Die Quantifizierung von Boden-Wasser Interaktionen ist von großer Bedeutung für eine Reihe praktischer Anwendungen wie z.B. im Bewässerungsmanagement, bei der Nahrungsmittelproduktion oder im Hochwasserschutz. Trotzdem ist die genaue räumliche und zeitliche Schätzung der hydrologischen Zustände und Wasserflüsse nach wir vor eine große Herausforderung in der Hydrologie. Dies liegt daran, dass die meisten hydrologischen Prozesse stark nichtlinear und zudem durch zeitlich variable Randbedingungen kontrolliert sind. Daher werden numerische Modelle für ihre umfangreiche Beschreibung benötigt. Eine weitere Herausforderung ist die räumliche Heterogenität der Böden, deren Identifikation und Charakterisierung nach wie vor ein Gebiet intensiver Forschung im Gebiet der Hydrogeophysik ist. Bis heute gibt es nur sehr wenige Studien, die vorhandene Informationen aus der traditionellen bodenkundlichen Beschreibung, hydrologischem Monitoring, geophysikalischer Charakterisierung des Untergrundes und moderner hydrologischer Modellierung kombinieren, um zu einer umfangreichen Beschreibung der hydrologischen Prozesse zu kommen. Hauptziel dieses Projektes ist es, einen integrativen Ansatz für eine verbesserte prozessbasierte hydrologische Modellierung der ungesättigten Wasserflüsse auf der Hangskala anzuwenden. Der Ansatz basiert auf der Integration von klassischem pedologischem Wissen zur Bodenbeschreibung, präzisem Monitoring des Bodenwassergehalts, sowie auf Zeitreihen moderner geophysikalischer Messungen zur Erfassung der räumlichen Heterogenität des Untergrundes. Letztendlich sollen die gesamten gesammelten Informationen in einem physikalisch-basierten numerischen Modell integriert werden, welches in der Lage ist, die Bodenwasserflüsse inklusive der gesättigten und ungesättigten Wasserflüsse, Oberflächenabfluß, Evaporation, Wasseraufnahme durch Pflanzen, sowie Schneeakkumulation und -schmelze in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu simulieren. Das Projekt wird die derzeit vorhandenen Ansätze zur Schätzung der Bodenwasserflüsse um eine neue Dimension erweitern, da es die Möglichkeit bietet, durch Kombination die Potenziale der verfügbaren Mess- und Modellierungstechniken zu maximieren und die Quellen der Unsicherhheiten in den geschätzten hydrologischen Zuständen und Flüssen zu minimieren. Es wird wichtiges Wissen liefern, um diesen Ansatz auch auf größere Skalen zu übertragen, wo eine präzise Quantifizierung der Bodenwasserflüsse auf Betriebs- oder Einzugsgebietsskala für ein effizienteres Wasser- und Nährstoffmanagement im Zusammenhang mit einer nachhaltigen Nahrungsmittelproduktion in Zeiten Klimawandels benötigt wird.
Die zentrale Aufgabe von C1 ist die Erzeugung des virtuellen Einzugsgebietes (VR) mit Hilfe der vollgekoppelten Terrestrial System Modeling Platform (TerrSysMP) und die Entwicklung des Datenassimilationssystems (DAF) durch Kopplung von TerrSysMP mit der Parallel Data Assimilation Platform (PDAF), sowie die Durchführung und Analyse von DAF-Experimenten zusammen mit den Mitgliedern der FOR2131. Dies beinhaltet die stete Aktualisierung der Teilmodelle von TerrSysMP COSMO, CLM und ParFlow, notwendige Erweiterungen wie die Einbeziehung dynamischer Vegetation durch die neueste CLM Version 4.5 und die Verbesserung der Parametrisierungen von Flüssen und Hangabfluss. Die DAF-Entwicklung erfordert in enger Zusammenarbeit mit den FOR2131-Mitgliedern den Einbau von Beobachtungsoperatoren in das DAF, welche die unterschiedlichen räumlichen Auflösungen der VR und des DAF-Modells berücksichtigen. Durch die extremen IT-Anforderungen sowohl für die VR-Erzeugung als auch für die TerrSysMP-PDAF-Läufe ist C1 auch verantwortlich für deren Implementierung auf den IT-Infrastrukturen JUQUEEN und JUROPA des HPSC am Forschungszentrum Jülich JSC. Dies schließt die Vorbereitung und Durchführung von Rechenzeitanträgen der FOR2131 an das Gauss Centre for Supercomputing e.V. (GCS) in Kooperation mit dem SimLab-TerrSys des Geoverbunds ABC/J mit ein.
Echtzeitvorhersagen von Abfluss und Überflutungen stellen eine große Herausforderung dar, auch weil Wettervorhersagen konvektive Starkregenereignisse auf der stündlichen Sub-Kilometerskala noch nicht mit ausreichender Qualität vorhersagen können. Das führt zu unvorhergesehenen Überflutungen und großen Schäden öffentlichen Eigentums und Infrastruktur und potentiell zu Todesopfern. Bekannte Beispiele in der Region des Geoverbundes ABC/J sind die Sturzfluten in Wachtberg am 3. Juli 2010 und am 6. Juni 2016. Das Projekt wird ein neuartiges, probabilistisches Echtzeitvorhersagesystem für Abfluss und Überflutungen in kleinen Einzugsgebieten (kleiner als 500 km2) entwickeln. Das Projekt konzentriert sich auf die Einzugsgebiete Wachtberg, Ammer und Bode. Wir werden QPE, QPN und QPF (quantitative Niederschlagsschätzung, Nowcasting und numerische Vorhersage), die Produkte von P1, P2 und P3 in dem Vorhersagesystem verwenden, um die erreichten Verbesserungen in RealPEP zu bewerten. Ein wichtiger Aspekt des Projektes ist die Verwendung verschiedener hydrologischer Modelle (konzeptionell und physikbasiert) für die Flutvorhersage. Wir werden den Mehrwert und die Limitierungen der verschiedenen Modelle (und Datenassimilierungsverfahren) identifizieren. Konzeptionelle Modelle profitieren hauptsächlich von der Optimierung/Kalibrierung des Abflusses und der Möglichkeit schnell, große Ensemble berechnen zu können; physikbasierte Modelle dagegen haben den Vorteil verschiedenartige Beobachtungsdaten verarbeiten zu können und Prozesse besser abzubilden, wodurch eine einfachere Übertragbarkeit auf andere Einzugsgebiete ohne Kalibration möglich ist. Schlussendlich werden wir untersuchen ob die verschiedenen Ansätze sich ergänzende Information zu Echtzeitvorhersage von Überflutungen liefern können.
Methane emissions from inland water bodies are of growing global concern since surveys revealed high emissions from tropical reservoirs and recent studies showed the potential of temperate water bodies. First preliminary studies at the River Saar measured fluxes that exceed estimates used in global budgets by one order of magnitude. In this project we will investigate the fluxes and pathways of methane from the sediment to the surface water and atmosphere at the River Saar. In a process-based approach we will indentify and quantify the relevant environmental conditions controlling the potential accumulation of dissolved methane in the water body and its release to the atmosphere. Field measurements, complemented by laboratory experiments and numerical simulations, will be conducted on spatial scales ranging from the river-basin to individual bubbles. We will further quantify the impact of dissolved methane and bubble fluxes on water quality in terms of dissolved oxygen. Special emphasize will be put on the process of bubble-turbation, i.e. bubble-mediated sediment-water fluxes. The project aims at serving as a reference study for assessing methane emissions from anthropogenically altered river systems.
Arsen-kontaminiertes Grundwasser stellt eine große Gefahr für zig Millionen von Menschen dar, insbesondere in Süd- und Südost-Asien, durch seine Verwendung als Trinkwasser und für die Bewässerung von Reisfeldern. Das Hauptziel dieses Projekts ist es gemeinsam mit Wissenschaftlern der Stanford University die Menge an giftigem Arsen in den beiden wichtigsten Expositionsquellen, Wasser und Reis, zu reduzieren und zu bestimmen wie i) Arsen effizient mit Wasserfiltern aus dem Trinkwasser entfernt und ii) die Arsenaufnahme durch Reis während der Nasskultivierung reduziert werden kann. Im ersten Teilprojekt planen wir in Vietnam zu untersuchen, unter welchen Bedingungen Wasserfilter Arsen effizient entfernen, wie lange die Filter verwendet werden können und ob gesundheits-schädigende Konzentrationen von Nitrate in den Filtern gebildet werden. Wir werden einen visuell sichtbaren Indikator in den Filtern entwickeln, der es der breiten Bevölkerung erlaubt, ohne analytische Verfahren oder besonderen Bildungsstand zu bestimmen, wann die Effizienz des Filters aufgrund der Sättigung mit Arsen verschwindet und das Filtermaterial ersetzt werden muss. Darüber hinaus werden wir untersuchen, wie das Arsen-verschmutzte Filtermaterial ohne weitere Risiken entsorgt werden kann. Im zweiten Teilprojekt werden wir untersuchen, ob die Stimulation von nitrat-reduzierenden, eisenoxidierenden Bakterien in Reisfeldböden die Arsenaufnahme in Reis reduziert durch die Bindung von Arsen an die gebildeten Minerale. Wir werden bestimmen, wie die Zugabe definierter Mengen an Nitrat helfen kann, gleichzeitig die Arsenaufnahme in den Reis und die Emission des Treibhausgases N2O zu minimieren. Dieses Projekt wird für die Bevölkerung in Arsen-betroffenen Ländern praktische Lösungen bieten, um mögliche Schädigungen durch Arsen und Nitrat zu reduzieren und ihre Gesundheit und Lebenssituation zu verbessern.
Es ist dringend erforderlich, die relevanten hydrologischen Prozesse in montanen mediterranen Einzugsgebieten zu verstehen, um deren potentielle Änderungen in ihren Funktionen für die Wasserversorgung durch den Klimawandel und Landnutzungsänderungen zu kennen. Daher möchte ich zusammen mit meiner Gastinstitution, dem IDAEA-CSIC in Barcelona, untersuchen, wie die Vegetation, die Böden und das Grundwasser das Speichern, die Mischung, die Abflussbildung, sowie die Evapotranspiration in dem Einzugsgebiet Vallcebre im Nordosten Spaniens beeinflussen. Die Forscher des IDAEA -CSIC haben hydrometrische Daten und stabile Isotope (d2H, d18O) der verschiedenen hydrologischen Kompartimente des Einzugsgebiets gesammelt. Somit liegen Informationen über den Freiland- und Bestandniederschlag, Stammabfluss, Bach- und Grundwasser, sowie Wasser im Boden und der Vegetation vor. Ich plane, diesen umfangreichen Datensatz zur Bestimmung der Verweilzeiten mit neue Methoden anzuwenden, damit sich unser Verständnis von Wasserfluss und Stofftransport in Einzugsgebieten verbessert. Ich werde zunächst testen, wie mittels 'StorAge Selection functions' (Rinaldo et al. 2015) die Dynamik der Verweilzeiten des Abflusses und der Evapotranspiration beschrieben werden können. Des Weiteren habe ich als Ziel die neuen Konzepte der 'young water fraction' (Kirchner 2016) and 'new water fraction' (Kirchner 2017) anzuwenden, um besser die kurzfristige Komponente der Verweilzeiten beschreiben zu können. Diese Methoden sind noch nicht für Mediterrane Einzugsgebiete getestet worden, aber der umfangreiche Datensatz für die Vallcebre Einzugsgebiete ermöglicht die Untersuchung aktueller Fragen der Einzugshydrologie: Können Studien zur Verweilzeit verbessert werden mit höherer Rate der Probennahme von Niederschlag und Abfluss? Wie wirken sich neu erschlossene Daten über Bestandsniederschlag, Stammabfluss, Wurzelwasseraufnahme oder Bodenwasserfluss auf die Analysen aus? Zuletzt werde ich die Information von Tiefenprofilen der Isotopenzusammensetzung von Porenwasser einbeziehen, um hydrologische Modelle zu testen und die Verweilzeiten im Boden mit der Verweilzeit des Einzugsgebietsabflusses in Bezug zu setzen. Letzteres baut auf meine Dissertation und derzeitiger Postdoc-Studien auf.
Eine sichere Wasserversorgung ist eines der Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen in der Agenda 2030. In Mitteleuropa und Deutschland sind hohe Nährstoffeinträge in Grund- und Oberflächenwässer und schließlich auch in die marinen Systeme nach wie vor einem Problem für aquatische Ökosysteme und die Sicherung der Wasserversorgung. Auf der räumlichen Skala von Flusseinzugsgebieten interagieren dabei eine Vielzahl von Eintragspfaden und Prozessen, die ein mechanistisches Verständnis und klare Ursache-Wirkungs-Beziehungen erschweren. In den letzten Dekaden wurden große Anstrengungen unternommen, Kläranlage zu ertüchtigen und damit Einträge von Phosphor und Stickstoff deutlich zu reduzieren. Andererseits sind diffuse Einträge aus der Landwirtschaft immer noch bedeutend und aufgrund der langen Transportzeiten von der Quelle zur Vorflut schwer zu managen. Es ist momentan schwer abzuschätzen, wie schnell sich Maßnahmen zur Verringerung von Stickstoffüberschüssen in der Landwirtschaft auf die Wasserqualität und ihre zeitlich-räumliche Variabilität in der Vorflut auswirken. In diesem Antrag wird ein einzigartiger Datensatz von Wasserqualität und -quantität über ganz Deutschland hinweg verwendet und einer systematischen Daten-getriebenen Analyse unterzogen. Der Datensatz basiert auf dem langjährigen Monitoring von Wasserqualität der einzelnen Bundesländer und wurde vom UFZ zusammengestellt. In der Analyse dieser Daten werden Muster in der Konzentrationsvariabilität aber auch den Beziehungen zwischen Konzentration und Abfluss verwendet, um Rückschlüsse auf dominante Prozesse und Eintragspfade im Einzugsgebiet zu schließen. Die Arbeit ist dabei auf drei Ziele fokussiert: (a) Die Klassifikation der Einzugsgebiete hinsichtlich ihres Nährstoff-Exportregimes für Daten ab dem Jahr 2010. (b) Die zeitliche Entwicklung der Stickstoff:Phosphor-Stöchiometrie für längere Zeitreihen im Wechselspiel von Punkt- und diffusen Quellen. (c) Die Langzeit-Trajektorien des Nährstoffexports aus Einzugsgebieten und einer möglichen Entwicklung zu chemostatischen Verhältnissen mit geringer Konzentrationsvariabilität aufgrund flächiger landwirtschaftlicher Einträge. Dabei ermöglichen innovative daten-getriebene Methoden und der einzigartige Datensatz einen neuen Blick auf die Steuergrößen von Nährstoffexporten im mitteleuropäischen anthropogen überprägten Landschaftsbild. Die Ergebnisse ebnen zum einen den Weg für komplexitätsreduzierte Wasserqualitäts-Modelle auf der Skala von Einzugsgebieten. Zum anderen haben die Ergebnisse Relevanz für weitere Fachgebiete, wie der aquatischen Ökologie und des Umweltmanagements.
Der globale Wandel verändert nicht nur das Klima sondern auch die Oberfläche der Erde. Unser Verständnis von Bodenveränderungen und ihrer Wechselwirkungen mit hydrologischen, ökologischen und geomorphologischen Prozesse ist jedoch noch rudimentär. Einige der Bodeneigenschaften sind zeitlich stabil, aber andere verändern sich zum Teil sehr schnell mit signifikanten Auswirkungen auf die Quantität und Qualität des Wasserkreislaufes. Diese Veränderungen sind besonders markant auf der Hangskala, wo laterale und vertikale Prozesse über unterschiedliche Zeitskalen miteinander interagieren. Wasser und Vegetation beeinflussen die oberirdischen und unterirdischen Prozesse an Hängen auch über die Verwitterung, die Bodenentwicklung und die Erosion. Diese Prozesse wiederum beeinflussen auch die Fließwege des Wassers. Die daraus resultierende Verteilung der Wasserspeicher beeinflusst die Artenverteilung und Funkrionalität der Vegetation, wobei die Vegetation selber wiederum die Fließwege des Wassers beeinflusst. Dieses komplexe Gefüge an Wechselwirkungen wurde in seiner zeitlichen Entwicklung bisher noch kaum detailliert untersucht. Das interdisziplinäre Forschungsprojekt HILLSCAPE (HILLSlope Chronosequence And Process Evolution) soll sich mit der Frage beschäftigen, wie sich dieser Feedback-Zyklus in einem Zeitraum von 10000 Jahren verändert und was für strukturelle Veränderungen daraus resultieren. Das Projekt konzentriert sich dabei auf die vertikale und laterale Umverteilung von Wasser und Stoffen an Hängen und ihrer Wechselwirkungen mit dem Boden, der Vegetation und der Landschaftsentwicklung. Um dieses ehrgeizige Ziel erreichen zu können, wird sich HILLSCAPE Hang-Chronosequenzen auf Moränenstandorten zu Nutze machen. Gletschervorländer liefern uns so Schnappschüsse der zeitlichen Entwicklung. Die Auswahl zweier Fokusgebiete mit unterschiedlichem Ausgangsmaterial erlaubt dabei den direkten Vergleich der Entwicklung auf Silikat- und Karbonatgestein. In jedem Fokusgebiet werden Hänge in 4 verschiedenen Altersklassen instrumentiert. Die Aufgliederung in 5-6 Flächen pro Altersklasse ermöglicht es uns, eine große Bandbreite an Vegetationsbedeckung und -komplexität abzudecken. Wir werden gezielt relevante Strukturen aller 48 Hangflächen aufnehmen und werden deren hydrologische und geomorphologische Funktionsweise und Prozesse einerseits über ein Jahr beobachten und andererseits durch künstliche Beregnung in kontrollierten Experimenten genauer aufschlüsseln. Zusätzlich werden wir funktionalen Eigenschaften der Pflanzen und somit die strukturelle und funktionale Diversität der Standorte erfassen. Die Kombination von vier interdisziplinären Doktorarbeiten und der integrativen Modellierung durch einen Postdoc erlaubt uns die gemeinsame Untersuchung von hydrologischen, geomorphologischen und biotischen Prozessen und ihrer Interaktionen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 651 |
| Kommune | 1 |
| Land | 7 |
| 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 |