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.
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.
Der größte Teil unserer Landschaften entwässert direkt in Gewässer erster und zweiter Ordnung. Im Mittelpunkt des Projekts stehen Untersuchungen zum Stoffrückhalt und zu Transformationsprozessen in der Übergangszone zwischen Grundwasser und den Gewässern niederer Ordnung. Dazu wird ein räumlich und zeitlich hoch auflösendes Monitoring von Wasser- und Stoffflüssen mit innovativer online-Sondentechnik, komponenten- und enantiomerspezifischer Isotopenanalytik und molekularbiologischen Werkzeugen kombiniert. Ergänzt werden die Felduntersuchungen durch prozessbasierte reaktive Transportmodelle. Durch diese Kombination modernster Methoden soll ein umfassendes Verständnis der räumlich-zeitlichen Muster von Reaktivität und Umsätzen in Abhängigkeit von Landnutzung und hydraulischen Randbedingungen erreicht werden.
Geothermalwässer sind eine der wichtigsten Quellen im geochemischen Arsen-Kreislauf. Untersuchungen konzentrieren sich häufig auf Arsenit und Arsenat, die sich nach dem Austritt aus Geothermalquellen weit ausbreiten und z.B. die Qualität von Trinkwasser-Aquiferen negativ beeinflussen können. Erst kürzlich wurde gezeigt, dass nicht Arsenit und Arsenat, sondern Thioarsenate (AsVSnO4-n3-; n = 1 - 4), die sich aus Arsenit und reduziertem Schwefel bilden, die häufigsten Arsenspezies an Geothermalquellen sind. Allerdings ist deren Ausbreitung durch Reaktivität gegenüber Sauerstoff begrenzt. Für das vorliegende Projekt postulieren wir, dass Methylierung ein viel häufigerer Prozess an Geothermalquellen ist als bisher angenommen und dass methylthiolierte Arsenate signifikanten Anteil am Gesamtarsengehalt haben, v.a. bei leicht saurem pH und hohen Gehalten an Sulfid und gelöstem organischem Kohlenstoff. Wir postulieren weiter, dass methylthiolierte Arsenate im Vergleich zu anorganischen Thioarsenaten geringere abiotische und mikrobielle Umwandlungen zeigen und im Vergleich zu Arsenit und Arsenat geringere und langsamere Sorption an Eisenminerale und organische Substanz. All dies würde zu einem potentiell hohen Austrag aus Geothermalgebieten führen. Um unsere Hypothesen zu testen, werden wir an zwei Geothermalgebieten in China (Rehai, Yunnan und Daggyai, Tibet) Arsenspezies an den Quellen bestimmen und ihre Umwandlung entlang der natürlichen Abflusskanäle sowie in on-site Inkubationsstudien verfolgen. Wir werden dabei auch klären, welche anderen abiotischen oder biotischen Faktoren zur Arsenspeziesumwandlung beitragen. Im Labor werden wir methylthiolierte Arsenate synthetisieren und ihre Bildung und Stabilität unter verschiedenen S/As Verhältnissen, Temperaturen, pH und in Anwesenheit von Oxidationsmitteln untersuchen. Desweiteren werden wir Ausmaß und Kinetik von Sorption an häufig vorkommenden Eisenmineralen (Ferrihydrit, Goethit, Mackinawit, Pyrit) und an einer organischen Modelsubstanz untersuchen. Um natürliche Bedingungen besser abzubilden, werden wir das Sorptionspotential für methylthiolierte Arsenate auch an natürlichen Sedimenten von Geothermalquellen und ihren Abflusskanälen bestimmen. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit zwischen Prof. Dr. Britta Planer-Friedrich (Deutschland), Expertin für Thioarsenchemie und -analytik, und Prof. Dr. Qinghai Guo (China), Experte für Geothermalwasserchemie, durchgeführt. Die Zusammenarbeit schliesst gemeinsam betreute Promotions- und Masterarbeiten ein, gemeinsame Geländearbeiten in China und Laborarbeiten in Deutschland, ein kickoff meeting in Deutschland sowie ein Abschlusstreffen in China. Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es, ein neues Modell für die Bildung, den Transport und die Umwandlung von Arsenspezies in Geothermalgebieten zu entwickeln sowie das mögliche Vorkommen von methylthiolierten Arsenaten auch für andere natürliche Systeme vorhersagen zu können.
Das Kapillare Einfangen von CO2-Gas und deren nachfolgende Auflösung sind zwei wichtige Speicherprozesse der CCS (Carbon Capture Storage)-Technologie, die im Rahmen des beantragtes Projektes untersucht werden sollen. Das zentrale Ziel ist ein Upscaling von porenskaligen Eigenschaften getrappter Gascluster mittels universellen Skalengesetzen, wie sie von der Perkolationstheorie vorhergesagt werden. Erstmals wird ein analytisches Näherungsverfahren zur Berechnung der effektiven Auflösungsrate angewendet und durch vergleichende Makroskala-Modellierungen (MIN3P und TOUGH2) getestet. Von grundlegendem Interesse ist die Frage, unter welchen Bedingungen, die im Projekt untersuchten porösen Medien zur gleichen Universalitätsklasse gehören, und welchen Einfluss, Porenstruktur, Mikrostruktur der Festkörperoberfläche und heterogene Benetzbarkeit auf den Trapping-Prozess haben. Methodisch wird mittels micro-Computertomographie und Bildanalyse sowohl die Porenstruktur, Porenraumtopologie und mittels Clusteranalyse die Geometrie und statische Verteilung getrappter Gascluster analysiert und quantifiziert. Die Dynamik des Trapping-Verhaltens wird mittels optischer Visualisierung in Glaskugel-Monolayer untersucht. Die Fluide werden so gewählt, dass sie Proxies für die CO2-Injektion in Tiefenaquifere darstellen. Die zu erwartenden Ergebnisse sind sowohl von grundlegendem Interesse als auch von großer praktischer Relevanz, da sie Prognose-Modellierungen zur CCS-Technologie und zur Grundwasserreinigung (Auflösung residualer NAPL (non aqueous phase liquid) bzw. von Mischgasphasen) verbessern.
Es werden im Rahmen des Projektes anthropogen induzierte Folgen von Landnutzungsänderungen und der Industrialisierung auf die Morphodynamik von Fließgewässern anhand von Beispielen aus dem Rureinzugsgebiet untersucht. Die Rur ist ein 165 km langer Fluss mit einer Einzugsgebietsgröße von 2340 km2 in Nordrhein-Westfalen und verbindet ein heute überwiegend bewaldetes Mittelgebirge mit einer Quellregion in einer Höhe von 660 m mit einem agrarisch geprägten Tiefland zwischen 200 und 30 m NHN. Wie in vielen anderen Flusssystemen Mitteleuropas sorgten anthropogene Eingriffe für erhebliche Veränderungen der Naturräume und der fluvialen Systeme. Im Einzugsgebiet der Rur wurden die Rur selbst, aber auch ihre Zuflüsse erheblich durch Siedlungsausdehnung, Mühlenbau, Rodungen, Bergbau, Industrieeinleitungen, Talsperrenbau, Wiederaufforstungen, Flurbereinigungen und Naturschutzmaßnahmen (u.a. Nationalpark Eifel) geprägt. Ziel des Projektes ist es, die unterschiedlichen Einflüsse und deren jeweiligen Folgen für die fluvialen Systeme in verschiedenen Zeitabschnitten (u.a. Mittelalter, Neuzeit, heute und Zukunft) mittels geowissenschaftlicher und ingenieurwissenschaftlicher Methoden zu untersuchen. Dies beinhaltet u.a. Kartierungen, Beprobungen fluviale Sedimente, sedimentologische und geochemische Analysen, 14C und 137Cs Datierungen sowie numerische Modellierungen von Fließgewässern und deren Auen einschließlich der Talsperren. Ein besonderer Fokus liegt neben den unterschiedlichen anthropogenen Eingriffen auf den natürlichen Einflüssen und dem Vergleich der fluvialen Dynamik im Mittelgebirge und im Tiefland. Dieser interdisziplinäre Ansatz soll ein möglichst umfassendes Bild des anthropogenen sowie natürlichen Einflusses und seinen Folgen auf das Einzugsgebiet der Rur in der Vergangenheit, Gegenwart und in der Zukunft vermitteln.
Das übergeordnete Ziel der Arbeit sind Untersuchungen zur Vorhersagbarkeit extremer Hochwässer in Abhängigkeit von Eigenschaften der Einzugsgebiete und des Klimas unter Berücksichtigung unterschiedlicher räumlicher und zeitlicher Maßstäbe. Vorhersage von Hochwasser ist hier definiert als Schätzung von Hochwasserwahrscheinlichkeitsverteilungen für unbeobachtete Orte und/ oder zukünftige Zeitperioden. Die Vorhersagbarkeit bezieht sich auf die Quantifizierung und Attributierung der Unsicherheit der Vorhersage. Mit 'Extrem' werden Hochwasser bezeichnet, die besonders groß (hinsichtlich des Scheitels) und anderer Charakteristiken (Volumen, Form, räumliche Ausdehnung, etc.) sind. Zuerst erfolgt eine Daten-basierte Analyse, die die Hochwasser zu ihren treibenden Kräften wie Wetter, Klima und Einzugsgebietseigenschaften in Beziehung setzt. Methodisch werden hier lokale und regionale Hochwasserstatistik angewandt und verglichen. Ziel dieses ersten Teils ist die Quantifizierung der Vorhersagbarkeit allein auf Basis der Daten. Im zweiten Schritt wird ein multivariater Wettergenerator entwickelt, der an großskaligen meteorologischen Variablen bedingt werden kann. Damit steht ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem Niederschlag und andere meteorologische Oberflächenvariablen für unbeobachtete Gebiete und Zeitperioden generiert werden können. Im dritten Schritt werden mit dem Wettergenerator zunächst eine Vielzahl hochwasserrelevanter Niederschlags- und Klimaszenarien erzeugt. Diese werden dann im Rahmen von Monte-Carlo-Simulationen zusammen mit einem hydrologischen Modell für lokale und regionale abgeleitete Hochwasserstatistik eingesetzt. Ziel ist die Quantifizierung der Vorhersagbarkeit der Hochwasser durch hydrologische Modellierung. Dabei wird eine Fehlerzuweisung in Abhängigkeit von Niederschlag, Klima und Einzugsgebietseigenschaften durchgeführt.
Agriculture is the major contributor of nitrogen to ecosystems, both by organic and inorganic fertilizers. Percolation of nitrate to groundwater and further transport to surface waters is assumed to be one of the major pathways in the fate of this nitrogen. The quantification of groundwater and associated nitrate flux to streams is still challenging. In particular because we lack understanding of the spatial distribution and temporal variability of groundwater and associated NO3- fluxes. In this preliminary study we will focus on the identification and quantification of groundwater and associated nitrate fluxes by combining high resolution distributed fiber-optic temperature sensing (DTS) with in situ UV photometry (ProPS). DTS is a new technique that is capable to measure temperature over distances of km with a spatial resolution of ca1 m and an accuracy of 0.01 K. It has been applied successfully to identify and quantify sources of groundwater discharge to streams. ProPS is a submersible UV process photometer, which uses high precision spectral analyses to provide single substance concentrations, in our case NO3-, at minute intervals and a detection limit of less than 0.05 mg l-1 (ca.0.01 mg NO3--Nl-1). We will conduct field experiments using artificial point sources of lateral inflow to test DTS and ProPS based quantification approaches and estimate their uncertainty. The selected study area is the Schwingbach catchment in Hessen, Germany, which has a good monitoring infrastructure. Preliminary research on hydrological fluxes and field observations indicate that the catchment favors the intended study.
Trockenheit und Hochwasser können schwerwiegende Auswirkungen haben, wenn sie in stark besiedelten Gebieten auftreten, eine grosse Region treffen oder wenn ein Trockenheitsereignis mit außergewöhnlichem Niedrigwasser abrupt von einem Hochwasser beendet wird. Geeignete Managementstrategien können helfen die mit Extremereignissen verbundenen negativen Auswirkungen zu minimieren und stützen sich auf zuverlässige Schätzungen der Häufigkeit und Grösse solcher Ereignisse. Ein ungelöstes Schlüsselproblem bei der Abschätzung von Extremereignissen ist die Quantifizierung der Wahrscheinlichkeit von Ereignissen in Regionen wo Abfluss durch Reservoir- oder Seeregulierung beeinflusst ist. Solch direkte menschliche Interventionen könnten nicht nur einzelne Hochwasser- und Trockenheitscharakteristika in individuellen Einzugsgebieten beeinflussen, sondern auch die Interaktion zwischen verschiedenen Charakteristika. Dieses Projekt hat zum Ziel unser Verständnis vom statistischen Verhalten multivariater hydrologischer Extreme in einer sich verändernden Welt zu verbessern, wo Abfluss zunehmend durch Speicherbewirtschaftung beeinflusst ist. Spezifische Ziele sind dabei (1) einen Datensatz von hydrologischen Extremen und menschlichen Einflüssen im Alpenraum zu erstellen, (2) den Einfluss von Speicherbewirtschaftung auf multivariate statistische Hochwasser- und Trockenheitseigenschaften zu quantifizieren, z.B. mehrere und regionale Charakteristika, Ereignistypen, die zeitliche Häufung von Ereignissen, und schnelle Trockenheits-Hochwasser Übergänge, und (3) den Effekt von Regulierungen auf lokale und regionale Gefahrenschätzungen zu bestimmen. Diese Ziele werden von einem Team angegangen, das sich aus der Projektleiterin, einer Doktorandin und einem GIS Spezialisten zusammensetzt. Der Fokus liegt auf den Quellgebieten der vier Hauptflüsse in den Zentralalpen, dem Rhein, der Rhône, der Donau, und dem Po, die essenziell sind für die Wasserversorgung in unterliegenden Gebieten und stark von Regulierung betroffen sind. Der Datensatz von Abflusszeitreihen und Gebietscharakteristika für die Regionen im Forschungsgebiet wird aus vielfältigen Quellen zusammengestellt. Um den Einfluss von Abflussregulierung auf hydrologische Extreme zu untersuchen, werden wir Hochwasser- und Trockenheitscharakteristika von natürlichen und regulierten Gebieten vergleichen. Um lokale und regionale Schätzwerte herzuleiten, werden wir Klassifizierungs- und Simulationsmethoden entwickeln, welche sich auf multivariate Häufigkeitsanalyse abstützen. Dieses Projekt wird neue Erkenntnisse zum Einfluss von Abflussregulierung auf statistische Trockenheits- und Hochwassereigenschaften und deren Zusammenhänge liefern und quantifizieren wie sich die Gefahr von Hochwassern und Trockenheit in regulierten Gebieten von jener in natürlichen Gebieten unterscheidet. Es stellt somit Informationen zur Verfügung, welche beim Fällen von Entscheidungen in einer vom Menschen veränderten Welt äußerst wichtig sind.
Groundwater contamination by organic compounds represents a widespread environmental problem. The heterogeneity of geological formations and the complexity of physical and biogeochemical subsurface processes, often hamper a quantitative characterization of contaminated aquifers. Compound specific stable isotope analysis (CSIA) has emerged as a novel approach to investigate contaminant transformation and to relate contaminant sources to downgradient contamination. This method generally assumes that only (bio)chemical transformations are associated with isotope effects. However, recent studies have revealed isotope fractionation of organic contaminants by physical processes, therefore pointing to the need of further research to determine the influence of both transport and reactive processes on the observed overall isotope fractionation. While the effect of gasphase diffusion on isotope ratios has been studied in detail, possible effects of aqueous phase diffusion and dispersion have received little attention so far.The goals of this study are to quantify carbon (13C/12C) and, for chlorinated compounds, chlorine (37Cl/35Cl) isotope fractionation during diffusive/dispersive transport of organic contaminants in groundwater and to determine its consequences for source allocation and assessment of reactive processes using isotopes. The proposed research is based on the combination of high-resolution experimental studies, both at the laboratory (i.e. zero-, one- and two-dimensional systems) and at the field scales, and solute transport modeling. The project combines the expertise in the field of contaminant transport with the expertise on isotope methods in contaminant hydrogeology.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 838 |
| Land | 6 |
| Wissenschaft | 737 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 838 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 838 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 634 |
| Englisch | 614 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 19 |
| Webseite | 819 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 820 |
| Lebewesen und Lebensräume | 734 |
| Luft | 528 |
| Mensch und Umwelt | 838 |
| Wasser | 823 |
| Weitere | 838 |