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.
Binnengewässer sind wichtiger Teil des globalen Kohlenstoffkreislaufs, da sie der terrestrischen Biosphäre entstammende Biomasse (organisches Material, OM) aufnehmen und umsetzen. Gelöstes OM beeinflusst Farbe und Zustand der Gewässer und subventioniert als Energieträger das aquatische Nahrungsnetz. Der Umsatz des OM wird von dessen oxidativer Mineralisation getrieben, daher wird die Sauerstoffverfügbarkeit als kritischer Einflussfaktor gesehen. Jedoch findet auch in sauerstofffreien, anoxischen Zonen rege Produktion, Mineralisation und Transformation von OM statt. Die chemische Zusammensetzung des OM wird in anoxischen Zonen auf spezifischen Reaktionspfaden transformiert. Zu diesen Pfaden gehört (1.) der bevorzugte Abbau von energiereichen OM-Fraktionen, (2.) die Anreicherung von mikrobiellem OM, sowie (3.) der Einbau von anaerob entstandenem Wasserstoff in OM. Anoxische Zonen sind in kontinentalen und marinen Gewässern bereits heute weit verbreitet. Ihre weitere Ausdehnung ist vorhergesagt. Trotzdem ist unklar, unter welchen Bedingungen die anoxischen Reaktionspfade aktiviert werden und wie sie gemeinsam den Kohlenstoffkreislauf und aquatische Ökosystemfunktionen beeinflussen. Ziel dieses Projekts ist es daher, das Zusammenspiel anoxisch ablaufender OM Transformationen aufzuklären. Zu diesem Zweck entwickeln wir eine OM Charakterisierung basierend auf der (Gibbs-) Energie seiner molekularen Bestandteile. Die Energieeigenschaften des OM dienen als Bezugssystem, mit dem sich aktive Reaktionspfade einschließlich ihre spezifischen Einflussfaktoren unterscheiden lassen. Auf Grundlage dieses Bezugssystems können wir die orts- und substratspezifischen Faktoren identifizieren, die mit der molekulare OM Zusammensetzung variieren. Entlang aquatischer Netzwerke werden wir dann analysieren, wie anoxische Zonen einen spezifischen Fingerabdruck im OM formen. Die Ergebnisse dieses Projekts werden eine neuartige, energiezentrierte Charakterisierung von organischem Material begründen. Damit können wir langfristig unser Verständnis des Umweltverhaltens von OM, insbesondere unter anoxischen Bedingungen, verbessern.
Der vorliegende Forschungsantrag adressiert die Verbesserung von Starkregen- und Überflutungsvorhersagen insbesondere in urbanen Gebieten. Gegenüber rein physikalisch basierten Modellansätzen sollen in dieser Arbeit datengetriebene Modellansätze aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz (KI), insbesondere des Maschinellen Lernens (ML), weiterentwickelt und angewendet werden. Die Ziele dieses Forschungsantrags resultieren aus den im KIWaSuS-Projekt identifizierten Defiziten der aktuellen ML-Modelle im Anwendungskontext des Nowcastings. Es sollen daher in den Themenfeldern Niederschlags- und Überflutungsvorhersage grundlagenwissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt werden, auf deren Basis ein vorwettbewerblicher Prototyp entwickelt werden kann, der beide Komponenten beinhaltet. Dabei steht bei den ML-Modellen zur Niederschlagsvorhersage die Qualitätsverbesserung (Generalisierungsfähigkeit) und die Vertrauenswürdigkeit der Vorhersagen im Vordergrund. Dafür sollen bisher genutzte ML-Modellstrukturen erweitert werden, um spezifische wasserwirtschaftliche Anforderungen besser berücksichtigen (Fusion multimodaler Sensordaten) und eine Unsicherheitsquantifizierung für die hochdimensionalen zeitlichen Datensequenzen räumlich und zeitlich verteilter Zeitreihen (z. B. Radardaten) ermöglichen zu können. Bei den Modellen zur Überflutungsvorhersage werden dagegen primär Methoden zur Skalierung und Generalisierung der Modelle auf größere Gebiete untersucht. Dabei soll u.a. geprüft werden, ob die Methode des aktiven Lernens zu einer Verbesserung führt. Nach einer zunächst separaten Entwicklung beider Modelltypen soll am Ende eine hydro-meteorologische Modellkette aufgebaut werden, in der beide Vorhersagemodelle gekoppelt werden.
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 Wasserfahrzeug als Messgeräteplattform besteht aus einem durch zwei Motoren angetriebenen Katamaran. Das Sensorpaket beinhaltet Messtechnik zur gleichzeitigen Erfassung der Gewässergüte (Multiparametersonde), der Gewässertopografie (Vertikal-Echolot, Seitensichtsonar) sowie hochaufgelöster Strömungsverhältnisse im Fließquerschnitt (9-strahlige Akustik-Doppler-Sonde). Weiter ist ein LiDAR-Sensor zur Erfassung und Kartierung der Ufervegetation bzw. Bebauung an und in Gewässerrandstreifen vorgesehen. Für eine georeferenzierte Datenerfassung soll die Messgeräteplattform mit einem GNSS-Empfänger (RTK-Genauigkeit) ausgestattet werden und ergänzend eine Zielmarke erhalten, sodass ein Tracking über Kopter und Vermessungsdrohnen (UAVs) ermöglicht wird. Mit den Messgeräten sollen Forschungsfragen in den Handlungsfeldern „Digitalisierung der Wasserwirtschaft“, „Resilienz gegenüber Hoch- und Niedrigwasserereignissen“ und „Neue Verfahren zur Datenerhebung in der Wasserwirtschaft“ beantwortet werden. Grundlegend wird mit dem Großgerät die Aufnahme von Messdaten angestrebt, die möglichst viele gewässerbezogene Parameter enthalten. So soll eine Datenbasis geschaffen werden, welche die Grundlage für die Beantwortung der folgenden Forschungsfragen darstellt: - Inwiefern sind datengetriebene Modelle in der Lage, strukturelle Veränderungen im Gewässer abzubilden und diese auf Wasserstand-Abfluss-Beziehungen zu übertragen bzw. ebendiese zu aktualisieren? - Lassen sich räumliche und raumzeitliche (Auto-) Korrelationen von Niederschlag- und Abflussdaten mittels maschineller Lernverfahren (ML) (insbesondere Long Short-Term Memory-Methoden) modellieren und welchen Einfluss haben Menge und Qualität der Eingangsdaten auf die Genauigkeit der Systemantwort „Abfluss“? - Wann und wo finden Sedimentationsprozesse in Speichersystemen (z. B. Talsperren) statt und können diese durch gezielte Bewirtschaftungspläne verhindert werden? - Welche Auswirkungen hat die Volumenänderung auf die Bewirtschaftung von Speichersystemen und die Bereitstellung bzw. Aufrechterhaltung der Wasserversorgung?
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.
Unterirdische laterale Flüsse (ULF) treten entlang von verdichteten Schichten in heterogenen ackerbaulich genutzten Hangböden auf und führen zu erhöhtem Pestizid- und Nährstofftransport in angrenzende Gewässer. Besonders für die heterogenen Böden der hügeligen Grundmoränenlandschaft, die große Teile im Norden Deutschlands bedeckt, ist bis heute ungeklärt, wann und wie oft dieses Phänomen auftritt. Im Vergleich zu bewaldeten Gebieten, in denen ULF bereits häufig untersucht wurden, ist wenig über Auslöser und relevante Fließwege für ULF bekannt. Um zu analysieren wann ULF auftritt und welche Bedingungen ULF auslösen werden die Wavelet-Analyse, die Hauptkomponentenanalyse und eine Bodenwasserhaushaltsberechnung auf langjährige Zeitreihen des Wassergehalts in verschiedenen Tiefen von Lysimetern sowie an deren Entnahmestellen auf der CarboZALF-Fläche in Dedelow (NO Deutschland) angewendet. Die Auslöser von ULF werden anschließend mit statistischer Analyse aus den identifizierten ULF-Ereignissen abgeleitet. Um zu überprüfen, ob Pflanzenwurzeln relevante Fließwege für ULF darstellen, werden rechteckige Bodenproben entlang der Pflugsohle entnommen und darin auftretende Fließbewegungen mit Hilfe von Isotopenanalyse erfasst und anschließend numerisch modelliert. In einem Feldversuch wird analysiert, ob ULF eher in Sandlinsen oder in sich darüber befindlichen von Sandbändern durchzogenen Schichten in Hangböden auftreten. Dazu wird ein Bromid-Tracer aufgetragen und die Ausbreitung der Tracerwolke mittels elektrischer Widerstandstomographie (ERT) überwacht. Die Untersuchungsergebnisse werden zu einem verbesserten Prozessverständnis ULF beitragen und die Erfassung von Transportzeiten sowie Fließwegen von Pestiziden und Nährstoffen in hügeligen Ackerböden verbessern. Es soll die Frage beantwortet werden, ob ULF ein relevantes Phänomen für unterirdische Fließbewegungen in heterogenen ackerbaulich genutzten Hangböden darstellen.
Die Hydrologie der Landoberfläche wirkt an der Schnittstelle zwischen Boden, Vegetation und Atmosphäre. Sie hat dadurch Auswirkungen auf Nahrungsmittelproduktion, Wasserverfügbarkeit und Extremereignisse, wie Dürren und Überschwemmungen. Die Wechselwirkungen zwischen Land (Hydrologie) und Atmosphäre (Wetter) sind bisher nur ungenügend verstanden. Es ist insbesondere unklar, ob sich die Einflüsse der Landoberfläche auf Vegetation und Wetter durch die globale Erwärmung verstärken werden. Darüber hinaus ist nur wenig bekannt bezüglich des Übergangs von einem energielimitierten Regime, wo die Atmosphäre (Temperatur und Einstrahlung) das Land (Vegetationsproduktivität, Bodenfeuchte) beeinflusst, hin zu einem wasserlimitierten Regime, wo das Land (auch) die Atmosphäre beeinflusst. Um das Verständnis der Land-Atmosphäre-Wechselwirkungen zu verbessern, wird ein multivariater Ansatz mit der Analyse von Daten über Bodenfeuchte, Matrixpotential, Bruttoprimärproduktion, Verdunstung, Temperatur und Landoberflächencharakteristiken vorgeschlagen. Mit dieser umfassenden Methodik werden Land-Atmosphäre-Wechselwirkungen in Bezug auf ihre kurz- und langfristige Variabilität, sowie auf ihre Veränderungen im Kontext des Klimawandels untersucht. Ausserdem werden potentiell stark betroffene Regionen bestimmt. Desweiteren wird ein kritischer Bereich der Bodenfeuchte und/oder des Matrixpotentials identifiziert und charakterisiert, ab dem eine Wasserlimitierung von Vegetation oder Evapotranspiration auftritt. Ein Ergebnis dieser Analyse wird die Identifizierung eines dritten charakteristischen Matrixpotentials neben dem permanenten Welkepunkt und der Feldkapazität sein. Als Grundlage für diese Untersuchungen wird mittels eines Landoberflächenmodells von geeigneter Komplexität ein langfristiger, qualitativ hochwertiger hydrologischer Datensatz berechnet, welcher anhand von multivariaten Beobachtungen kalibriert wird. Dabei werden auch die Unsicherheiten des Datensatzes, sowie der multivariaten Beobachtungen, thematisiert. Die Resultate dieser Arbeit können helfen das Management von Wasserressourcen zu verbessern. Beispielsweise können Prognosen des Matrixpotentials in Verbindung mit dem identifizierten kritischen Bereich für eine intelligente Bewässerung von Pflanzen und Feldern verwendet werden. Eine Analyse von langfristigen Trends in Matrixpotential-, Bodenfeuchte- und Abflussdaten kann als Grundlage für langfristige Anpassungsmaßnahmen dienen. In einer weiteren Analyse werden Größenordnungen und Auftrittshäufigkeiten von Extremereignissen, wie Dürren und Überschwemmungen untersucht und in Verbindung mit entstandenen Sach- und Personenschäden gebracht. Diese Arbeit trägt zu den Millenniums-Entwicklungszielen der Vereinten Nationen bezüglich der Bekämpfung von Hunger und einer nachhaltigeren Wassernutzung, den 'Europa 2020' Zielen der EU Kommission bezüglich nachhaltiger Energienutzung, und zum 'grand challenge' Wasserverfügbarkeit des Weltklimaforschungsprogramms bei.
Wärmetransfer in geklüfteten porösen Medien ist ein essentieller Prozess im Erdinnern. Er ist Triebkraft für zahlreiche Naturphänomene, wie Geysire, hydrothermische und vulkanische Systeme, als auch für Naturgefahren wie Gesteinsbrüche und Erdbeben. Er bildet die Grundlage für industrielle Anwendungen, etwa im Bereich Geothermie. Die Fließbewegung in Risssystemen kann recht gut beschrieben werden. Es existiert eine breite Auswahl an Ansätzen, u. a. aus der Kontinuumsmechanik, multiple Medien und die explizite Beschreibung von Klüften. Allerdings haben existierende Modelle für den Wärmetransfer zwei große Schwachpunkte: Oft wird ein thermisches Gleichgewicht zwischen Gestein und Fluid vorausgesetzt und die Rolle der Risse vernachlässigt. Beides ist eng miteinander verbunden, da Risse mit hohen Fließgeschwindigkeiten eine Ursache für ein thermisches Ungleichgewicht sind und eine passende Beschreibung des Wärmetransfers in Rissen fehlt. In diesem Projekt wird ein neuartiges Modell entwickelt, um Wärmetransfer in Klüften unter Berücksichtigung mikroskopischer Rissoberflächenmorphologie zu beschreiben. Aktuelle Laborexperimente erlauben eine Analyse dieser Prozesse in bisher unbekannter Genauigkeit und ermöglichen einen tief gehenden Vergleich mit theoretischen Modellen. Oberflächenrauhigkeit, Öffnungsweite und Kontaktfläche beeinflussen Fließfeld wie Wärmetransfer. Gleichzeitig verändert Temperatur die Fluideigenschaften, und Risscharakteristiken hängen vom Spannungsfeld ab, welches wiederum von Temperatur und Fluiddruck abhängt. Ein passendes Wärmemodell muss daher auch hydraulische und mechanische Prozesse berücksichtigen, was in einem vollständig gekoppelten thermisch-hydraulisch-mechanischen Modell resultiert. Die theoretische Modellentwicklung beginnt mit einfachen Geometrien, um gute Vergleichbarkeit mit Laborergebnissen von externen Projektpartnern im Centimeterbereich zu ermöglichen. Daran schließt sich die Erweiterung auf komplexe Kluftnetzwerke an. Um auch für Anwendungen mit hunderten Metern Ausdehnung geeignet zu sein, wird das Modell mit statistischen Methoden skaliert und durch andere Parameter beschrieben, wie der Rissdichte. Anwendung auf Feldskala und Vergleich mit Messungen dienen zur Evaluation. Eine Einbindung des entwickelten Modells in eine Auswahl an wissenschaftlichen Softwareprogrammen ist geplant. Dieser innovative Ansatz kann in unterschiedlichen Modellen unabhängig von der gewählten Rissrepräsentation verwendet werden. Das vorgeschlagene Projekt schließt die lang existierende Lücke einer über die Skalen konsistenten Beschreibung des Wärmetransfers in geklüfteten porösen Medien unter Berücksichtigung statischer wie dynamischer Größen. Erstmals wird es möglich sein den Einfluss und die Interaktion einzelner Bedingungen und Gegebenheiten auf den Wärmetransfer und -transport im Detail zu untersuchen. Die Bestimmung der transferierten Wärme in natürlichen und industriellen Anwendungen wird sich dadurch signifikant verbessern.
Karst entsteht sich durch die Verwitterung von Karbonatgestein und erzeugt starke oberflächliche und unterirdische Heterogenität von hydrologischen Speicher und Fließprozessen. Ungefähr 7% bis 12% der Erdoberfläche besteht aus Karstgebieten und etwa ein Viertel der Weltbevölkerung ist ganz oder teilweise abhängig von Trinkwasser aus Karstgrundwasserleitern. Für die nächsten Jahrzehnte, Klimamodelle prognostizieren einen starken Temperaturanstieg und eine Abnahme von Niederschlagsmengen in vielen Karstregionen der Welt. Trotz dieser Vorhersagen gibt es nur wenige Studien, die die Auswirkungen des Klimawandels auf die Karstwasserressourcen abschätzen. Die ist hautsächlich auf das Fehlen von Messdaten und die inadäquate Abbildung von Karstprozessen in derzeit angewandten Ansätzen zur großskaligen Modellierung zurückzuführen. Das Ziel der beantragten Nachwuchsgruppe ist, die notwendigen Daten und Ansätze zur erstmaligen Abschätzung der gegenwärtigen und zukünftigem Verfügbarkeit von Wasserressourcen in Karstgebieten zur Verfügung zu stellen. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, sind signifikante Fortschritte (1) zum Verständnis der Heterogenität von Karstregionen und zu deren Einarbeitung in hydrologische Modelle, (2) zum Upscaling von Beobachtungen auf der Einzugsgebietsskale für Anwendungen von Simulationsmodellen im globalen Maßstab, und (3) zum Vergleich der gegenwärtigen und zukünftigen Verfügbarkeit von Wasserressourcen mit gegenwärtigen und zukünftigen Wasserbedarf von Nöten. Im vorgeschlagenen Projekt sollen neuartige Ansätze zur Messung und Analyse hydrologischer Daten an fünf experimentellen Messgebieten, die in 5 verschiedenen Klimaregionen über den Globus verteilt sind (AU, D, ES, MX, UK), eingesetzt werden, um die Einflüsse der Heterogenität von Karstgebieten auf oberflächennahe Fließprozesse zu erkunden. Mittels einer neu entwickelten Karstdatenbank, welche beobachtete Zeitreihen von Karstquellenabflüssen enthält, und Rezessionsanalyse sollen die Heterogenität von Grundwasser und Abflussprozesse in verschiedenen Regionen der Welt charakterisiert werden. Dieselbe Datenbank, erweitert durch zusätzlich Abflussdaten auf Flussgebietsskale des Global Runoff Data Center (GRDC), soll zur Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Einbindung der neu gewonnenen Erkenntnisse in ein großskaliges Simulationsmodell speziell für Karstregionen angewandt werden. Dieses Modell soll letztendlich dazu benutzt werden, um (1) gegenwärtige und, gekoppelt mit Klimaszenarien, zukünftige Verfügbarkeit von Wasserressourcen in Karstgebieten zu erkunden, um diese (2) mit gegenwärtigen und zukünftigen Wasserbedarf zu vergleichen und von Wassermangel bedrohte Regionen zu identifizieren.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 836 |
| Kommune | 9 |
| Land | 5 |
| Wissenschaft | 752 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 836 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 836 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 632 |
| Englisch | 614 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 19 |
| Webseite | 817 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 819 |
| Lebewesen und Lebensräume | 733 |
| Luft | 530 |
| Mensch und Umwelt | 836 |
| Wasser | 821 |
| Weitere | 836 |