Karstgrundwasserleiter spielen im Alpenraum eine wichtige Rolle. Sie bedecken etwa 56% der Fläche, und ein erheblicher Teil der Bevölkerung ist ganz oder teilweise von Trinkwasser aus Karstquellen abhängig, die oft mit wertvollen Ökosystemen verbunden sind und zur Wasserkrafterzeugung beitragen. Die Alpen zählen nach Studien zu den am stärksten vom Klimawandel betroffenen Gebieten in Europa. Als Folge der steigenden Temperaturen werden sich die gespeicherten Mengen an Schnee und Eis stark verringern, was zu einer Verschiebung zwischen Wasserhaushaltskomponenten in Verbindung mit einer saisonalen Umverteilung der Niederschläge führt. Außerdem wird erwartet, dass Hoch- und Niedrigwasserereignisse häufiger auftreten werden. Der Stand der Technik bei der Modellierung der Schüttung von Karstquellen, meist mittels konventioneller numerischer Modelle, ist auf standortspezifische, oft aufwändige und nicht übertragbare wissenschaftliche Studien beschränkt, die manuelle Modellabstimmung und Kalibrierung erfordern. Bis heute gibt es keinen leicht übertragbaren Ansatz, der gleichzeitig auf viele Karstquelleinzugsgebiete anwendbar ist. In diesem Projekt werden wir einen modernen, Deep-Learning basierten Ansatz zur Modellierung der Schüttung von Karstquellen entwickeln, der sich besonders gut eignet, übertragbare Modelle, die Informationen von verschiedenen Standorten nutzen können, aufzubauen. Deep Learning ist ein Teilgebiet des maschinellen Lernens, basierend auf künstlichen neuronalen Netzen, das sich sowohl bei akademischen als auch bei industriellen Anwendungen als sehr erfolgreich erwiesen hat. Die vorgeschlagene Studienregion sind die Alpen, mit Karstgebieten in Österreich, der Schweiz, Deutschland, Frankreich, Italien und Slowenien, mit einem Schwerpunkt auf dem besonders vom Klimawandel betroffenen von der Alpenkonvention abgegrenzten Gebirgsgebiet. Als Grundlage der Studie dient das World Karst Spring Database (WoKaS). Es wird im Laufe des Projekts mit zusätzlichen Daten von Behörden und Wasserversorgern ergänzt, insbesondere in Regionen mit bislang schlechter Abdeckung. Die Arbeiten beinhalten die Erstellung eines umfassenden Datensatzes mit Einzugsgebietsattributen und meteorologischen Einflussgrößen für etwa 150 Quellen. Klassische Lumped-Parameter-Modelle werden als Benchmarks aufgesetzt und mit den neu entwickelten Deep-Learning basierten Modellergebnissen verglichen. Ziel ist es, die Eignung neuartiger Deep-Learning Modellansätze für die Abschätzung der Auswirkungen des Klimawandels für eine Vielzahl von kurz- und langfristigen Vorhersagen zu untersuchen. Eine vertiefende Fallstudie des Dachsteingebietes, dessen große Karstregion wesentlich zur Wasserversorgung und Wasserkrafterzeugung beiträgt, wird die vergleichende Untersuchung mit einem numerischen 3D-Modell erweitern. Schließlich werden die entwickelten Modelle dazu verwendet, um Auswirkungen des Klimawandels auf die alpinen Karstgrundwasserressourcen vorherzusagen.
Als Fortsetzung des Arbeitsblattes Pumpversuche in Porengrundwasserleitern (Herausgeber Min. fuer Ernaehrung, Landwirtschaft und Umwelt Baden-Wuerttemberg) soll ein entsprechendes Arbeitsblatt fuer die o.g. Grundwasserleiter erarbeitet werden. Dazu wertet das Geologische Landesamt alle verfuegbaren Pumpversuche nach den verschiedensten Verfahren aus.
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.
Grundwasser dient als lebenswichtige Trinkwasserquelle, doch die steigende Nachfrage übt einen zunehmenden Druck auf lokale Grundwasserleiter aus. Besondere Beachtung gilt Karstgrundwassereinzugsgebiete, die durch eine schnelle Grundwasserneubildung und einen raschen Schadstofftransport gekennzeichnet sind. Die Bewertung der Vulnerabilität von Karstgrundwasserleitern und -quellen stützt sich bisher überwiegend auf statische Methoden, die nur selten integrative betrachtet werden. Es gibt es eine Vielzahl vielversprechender Indikatoren, sowohl nicht quellenspezifischer Art (z. B. elektrische Leitfähigkeit, Trübung, gelöster organischer Kohlenstoff), um schnelle Abflüsse zu erkennen, als auch quellenspezifischer Art (z. B. Metazachlor, Cyclamat, Koffein, Acesulfam), um die Herkunft von Schadstoffen in Karstgrundwasserleitern zu bestimmen. Diesen Indikatoren mangelt es jedoch an eine Prognosefähigkeit, da sie sich auf die Identifizierung von Verunreinigungen in Echtzeit oder die Verfolgung des Ursprungs der Verunreinigungen beschränken. Dieses Projekt zielt darauf ab, neue Methoden für die Echtzeitbewertung der Gefährdung und die Vorhersagemodellierung in Karstgrundwasserleitern zu verbessern und zu entwickeln, indem ein modernes hybrides Abflussmodell (mit räumlich aufgelöster Anreicherung und verklumptem Grundwasser) mit einem indikatorbasierten Ansatz integriert wird, der sowohl nicht quellenspezifische als auch quellenspezifische Indikatoren verwendet. Zu diesem Zweck, wird das hybride Abflussmodell bezüglich der schnellen Abflusskomponente auf der Grundlage nicht quellenspezifischer Indikatoren kalibrieren. Darüber hinaus werden Eintragsherde, wie punktuelle Einträge aus Abwasserüberschlägen und diffuse Einträge aus der Landwirtschaft, in das Modell einbezogen, gekoppelt mit einem reaktiven Stofftransportmodell. Dieser umfassende Ansatz wird es ermöglichen, Zeiträume mit erhöhter schneller Abflusskomponente, die häufig mit Verunreinigungen durch Bakterien, Viren, organische Verbindungen assoziiert ist, und Einträge aus spezifischen Quellen zu identifizieren. Ein besonders bemerkenswertes Merkmal dieses Ansatzes die Fähigkeit, potenzielle Auswirkungen auf die Wasserqualität vorherzusagen, indem Wettervorhersagen bis zu 24 Stunden im Voraus genutzt werden. Die Ergebnisse dieses Projekts sind von großer Bedeutung für ein zeitgemäßes, modellgestütztes Grundwassermanagement in Karstgrundwasserleitern, das der dringenden Notwendigkeit einer nachhaltigen Ressourcennutzung und des Umweltschutzes Rechnung trägt.
Konzeptionelle Modelle werden häufig dafür verwendet, um den Abfluss aus Karstquellen vorherzusagen. Die Modellierung von Stofftransportprozessen im Karst stellt hingegen nach wie vor eine Herausforderung dar. Unsere Hypothese ist, dass eine parallelisierte robuste Konzeptualisierung von Quellabfluss und Stofftransport die Modellabbildung der hydrologischen Prozesse in den verschiedenen Kompartimenten von Karstgrundwasserleitern, sprich dem Boden und Epikarst, Matrix und Lösungskanälen, deutlich verbessert. Dazu werden wir einen Kalibrierungsansatz basierend auf den verschiedenen Zeitskalen der Wavelet Transformation anwenden, um sowohl eine robuste Simulation von Quellabfluss und Stofftransport, als auch eine adäquate Modelldarstellung der relevanten hydrologischen Prozesse zu erhalten. Mit Hilfe von experimentellen Ergebnissen aus ereignisbasierten Probenahmekampagnen werden wir zeitlich hochaufgelöste Zeitreihen der elektrischen Leifähigkeit in die dominanten Ionenkonzentrationen zerlegen, um relevante Faktoren zu ermitteln, die die Transportprozesse in den verschiedenen Kompartimenten von Karstsystemen beeinflussen. Auf der Grundlage unserer Erkenntnisse werden wir Stofftransportmodelle unterschiedlicher Komplexität entwickeln und anhand mehrerer Karstsysteme validieren.
Die Bedeutung wasserbürtiger Krankheiten wächst zunehmend, insbesondere im Hinblick auf Herausforderung wie Hochwasser und Dürren im Zuge des Klimawandels. Weltweit sterben jährlich 2-5 Millionen Menschen infolge wasserbürtiger Krankheiten. Diese Situation wird weiter strapaziert durch die jahrzehntelange Fehlanwendung und den Überkonsum von Antibiotika, die zu extremen selektivem Druck auf Bakterien-Gesellschaften geführt haben und so die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen vorangetrieben haben. Systematische Geländearbeiten zum Transport und Rückhalt von Mikroorganismen und Antibiotikaresistenzen im Grundwasser unter repräsentativen Bedingungen sind nötig, um zukünftige Herausforderungen im Hinblick auf die sichere Bereitstellung von Grundwasser zu gewährleisten. Obwohl Transporteigenschaften von pathogenen Keimen aus Feldexperimenten dringend benötigt werden, ist die Durchführung von Feldarbeiten kaum möglich, da der Einsatz pathogener Markierungsstoffe wasserrechtlich untersagt ist. Das Projekt zielt darauf ab, ein detailliertes Verständnis der Mobilität von Mikroorganismen und Antibiotikaresistenzen im Grundwasser durch Feldexperimenten zu erlangen. Da der Einsatz pathogener Keime im Gelände nicht möglich ist, wird eine Auswahl nicht-pathogener Organismen und DNA in verschiedenen Feldversuchen in einem sehr gut charakterisiertem Karstgrundwasserleiter in Süd-West Deutschland eingesetzt. Dabei wird der Einfluss verschiedener Aquifer-Bedingungen und Eingabeszenarien getestet und deren Einfluss auf die Transporteigenschaften der eingesetzten Stoffe mittels der Modellierung ihrer Durchbruchkurven abgeleitet. Ereignisbasierte Untersuchungen werden zusätzlich dazu beitragen, die gewonnenen Erkenntnisse mit dem Auftreten anderer Stoffe bei natürlichen Extremereignissen zu vergleichen. Das Projekt wird durch lokale Behörden und Wasserversorger nachdrücklich begrüßt (Unterstützungsschreiben sind beigefügt).Letztendlich wird eine Auswahl nicht-pathogener Organsimen und externer DNA als Markierungsstoff für den Geländeeinsatz für jeweilige Umweltbedingungen entwickelt, um den potentiellen Transport und Rückhalt pathogener Keime und Antibiotikaresistenzen in zukünftigen Studien abzuschätzen. Dazu zählen beispielsweise Fragen zu Grundwasser-Management, Risikoabschätzungen oder mikrobiell gesteuerter Altlastensanierung um Untergrund.
Karstgrundwasserleiter (Karstaquifere) tragen in vielen Regionen, Städten und Ländern wesentlich zur Wasserversorgung bei. Sie bilden sich durch chemische Lösung in Karbonatgesteinen und bestehen aus einem Netzwerk von Röhren und Höhlen, die in die geklüftete Gesteinsmatrix eingebettet sind. Karstaquifere zeichnen sich meist durch eine hohe Variabilität der Wasserverfügbarkeit und -qualität aus. Verunreinigungen, einschließlich fäkaler und pathogener Bakterien, können leicht durch dünne Böden, offene Klüfte und Schlucklöcher in den Untergrund gelangen. Innerhalb des Röhrennetzes werden sie schnell über große Entfernungen transportiert und können Brunnen oder Quellen weitgehend ungemindert erreichen. Daher wird die generell gute Wasserqualität an Karstquellen oft durch kurze, aber starke Kontaminationsereignisse unterbrochen. Suspendierte Mineralpartikel und organischer Kohlenstoff spielen entscheidende Rollen bei der Mobilisierung und dem Transport von Fäkalbakterien und anderen Verunreinigungen. Die genauen Prozesse und ihre räumliche und zeitliche Variabilität sind jedoch noch lange nicht vollständig verstanden. Das Hauptziel des vorgeschlagenen IMPART-Projekts besteht darin, vertiefte Einblicke in die Transportprozesse zu gewinnen, welche die räumliche und zeitliche Dynamik von Partikeln, organischem Kohlenstoff und Fäkalbakterien in Karstsystemen bestimmen. Das Testgebiet ist eine bedeutende Karstquelle und ihr Einzugsgebiet, in dem zwei zugängliche Wasserhöhlen die direkte Beobachtung von Strömung, Wasserqualität und Transportvorgängen innerhalb des aktiven Röhrennetzes ermöglichen. Die wichtigsten zu beachtenden Parameter umfassen die Partikelgrößenverteilung, Anregungs-Emissions-Matrizen für organischen Kohlenstoff, Enzymaktivität von E. coli, Fäkalindikatorbakterien und die Gesamtzellzahl mittels Durchflusszytometrie. Die Feldarbeit umfasst eine räumlich verteilte Wasserprobenahme in den Höhlen und an der Quelle; hochauflösendes Monitoring an der Quelle bei ausgewählten hydrologischen Ereignissen; sowie Multi-Tracer-Versuche im aktiven Röhrensystem, einschließlich vergleichender Versuche mit gelösten Stoffen und suspendierten Partikeln. Die Ergebnisse werden ein besseres Verständnis der Transportprozesse und der mikrobiellen Wasserqualitätsdynamik von Karstaquiferen ermöglichen, als Grundlage für ein verbessertes Management dieser wertvollen, aber verletzlichen Ressourcen.
Anlage B1 Festlegung eines Trinkwassereinzugsgebietes im 1. Zyklus der Bewertung nach TrinkwEGV Fließschema Grundwasserfassung - Poren-, Kluft- und Karstgrundwasserleiter Konvention für den 1. Zyklus: vereinfachte Bemessung des Trinkwassereinzugsgebietes Festlegung der Einzugsgebietsgröße unter Verwendung des Berechnungstools (EG_Berechnungstool.xlsx) unter Berücksichtigung der genehmigten Jahresentnahme und der bekannten Grundwasserneubildungs- oder Zusickerungsrate. Bei unbekannter Grundwasserneubildungs- oder Zusickerungsrate ist diese bei der zuständigen Behörde bzw. bei dem jeweiligen Landesamt anzufragen. Liegen keine landesspezifischen Werte für die Grundwasserneubildungs- oder Zusickerungsrate vor, kann zur Erstabschätzung hilfsweise ein Wert von135 mm/a (nicht überdeckter Grundwasserleiter) bzw. 50 mm/a (überdeckter Grundwasserleiter) angenommen werden. Zustromrichtung auf Sektor von 90° eingrenzbar (ggf. Nachfrage bei zuständiger Behörde)Zustromrichtung auf Sektor von 180° eingrenzbar (ggf. Nachfrage bei zuständiger Behörde)Zustromrichtung nicht eingrenzbar Annahme eines Viertelkreises mit rechnerischer Bilanzdeckungsfläche FEAnnahme eines Halbkreises mit rechnerischer Bilanzdeckungsfläche FEAnnahme eines Kreises mit rechnerischer Bilanzdeckungsfläche FE PorenGwL: 2-fach Kluft-/KarstGwL: 3-fachPorenGwL: 4-fach Kluft-/KarstGwL: 6-fachPorenGwL: 8-fach Kluft-/KarstGwL: 12-fach Festlegung der unterstromigen Einzugsgebietsgrenze (x0) gemäß Ergebnis im Berechnungstool (ab Fassung rd. 5 % des Radius r) EG-Neuabgrenzung im 2. Zyklus
Anlage A Festlegung eines Trinkwassereinzugsgebietes im 1. Zyklus der Bewertung nach TrinkwEGV Grundfließschema zur Wahl der Gebietskulisse Trinkwassereinzugsgebiet Ausgangssituation: Auswahl geeignete Gebietskulisse als Grundlage für die Bestimmung eines Einzugsgebiets gem. § 6 Absatz 1 Nr. 1 TrinkwEGV auf Basis vorhandener Unterlagen und Informationen Abstimmung mit zuständiger Behörde wird empfohlen - Abweichende Festlegung möglich Liegt ein Trinkwassereinzugsgebiet basierend auf der derzeit gestatteten Entnahmemenge vor? 1 Teil 1 jafür die Bewertung im 1. Zyklus verwendenÜberprüfung und ggf. EG- Neuabgrenzung in folgenden Zyklen jafür die Bewertung im 1. Zyklus verwendenÜberprüfung und ggf. EG- Neuabgrenzung in folgenden Zyklen nein Liegt ein Trinkwassereinzugsgebiet als Grundlage für ein festgesetztes oder im Verfahren befindliches Wasserschutzgebiet vor? 2 nein Teil 2 Liegt ein nicht dem Trinkwassereinzugsgebiet entsprechendes festgesetztes oder im Verfahren befindliches Wasserschutzgebiet und ggf. ein Vorrang- oder Vorbehaltsgebiet für den Trinkwasserschutz vor? 3 Festlegung erforderlich - Abstimmung mit zuständiger Behörde ist erforderlich jafür die Bewertung im 1. Zyklus berücksichtigenEG-Neuabgrenzung im 2. Zyklus jafür die Bewertung im 1. Zyklus berücksichtigenEG-Neuabgrenzung im 2. Zyklus Abgrenzung des Trinkwassereinzugsgebietes basierend auf den derzeit gestatteten Entnahmemengen gemäß allgemein anerkannten Regeln der TechnikÜberprüfung und ggf. EG- Neuabgrenzung in folgenden Zyklen nein Liegt eine Gebietskulisse vor, die einen hydrogeologischen Bezug zur Wassergewinnungsanlage, vergleichbar zum Trinkwassereinzugsgebiet darstellt? 4 nein Ist eine ausreichende hydrogeologische Datenlage vorhanden und der Aufwand zur Abgrenzung des Trinkwassereinzugsgebietes verhältnismäßig? Teil 3 ja 5 nein In Abstimmung mit der zuständigen Behörde: Konvention für den 1. Zyklus: vereinfachte Bemessung des Trinkwassereinzugsgebietes Anlage B1 Grundwasserfassung - Poren-, Kluft- und Karstgrundwasserleiter Anlage B2 Quellwasserfassung
Anlage B2 Festlegung eines Trinkwassereinzugsgebietes im 1. Zyklus der Bewertung nach TrinkwEGV Fließschema Quellwasserfassungen Konvention für den 1. Zyklus: vereinfachte Bemessung des Trinkwassereinzugsgebietes Porengrundwasserleiter oder vergleichbare Kluftgrundwasserleiter (z. B. Hangschutt, Verwitterungszone des Festgesteins etc.) Fall 1 Abgrenzung des oberirdischen Quelleinzugsgebietes anhand der Topografie und Morphologie. Die Breite des Einzugsgebietes auf Fassungshöhe berücksichtigt die Lage etwaiger Sickerstränge und beträgt mindestens beidseitig der Fassung 20 m, orthogonal zur Haupteinfallsrichtung des Geländes. Die Längserstreckung des Trinkwassereinzugsgebietes ergibt sich aus der Abgrenzung des oberirdischen Einzugsgebietes. Plausibilisierung der Einzugsgebietsgröße durch Bilanzkontrolle. Bei unbekannter Grundwasserneubildungsrate ist diese bei der zuständigen Behörde anzufragen. Liegen keine landesspezifischen Werte für die Grundwasserneubildungsrate vor, kann hilfsweise ein Wert von 135 mm/a angenommen werden. Heterogene Porengrundwasserleiter oder mit komplexen Randbedingungen Karstgrundwasserleiter oder vergleichbare Kluftgrundwasserleiter Fall 2 Fall 3 Festlegung der Einzugsgebietsgröße unter Verwendung des Berechnungstools (EG_Berechnnungstool.xlsx) unter Berücksichtigung der mittleren Schüttungsrate und der bekannten Grundwasserneubildungs- oder Zusickerungsrate. Bei unbekannter Grundwasserneubildungs- oder Zusickerungsrate ist diese bei der zuständigen Behörde bzw. bei dem jeweiligen Landesamt anzufragen. Liegen keine landesspezifischen Werte für die Grundwasserneubildungs- oder Zusickerungsrate vor, kann zur Erstabschätzung hilfsweise ein Wert von135 mm/a (nicht überdeckter Grundwasserleiter) bzw. 50 mm/a (überdeckter Grundwasserleiter) angenommen werden. Zustromrichtung auf Sektor von 90°eingrenzbar (ggf. Nachfrage bei zuständiger Behörde)Zustromrichtung auf Sektor von 180°eingrenzbar (ggf. Nachfrage bei zuständiger Behörde)Zustromrichtung nicht eingrenzbar Annahme eines Viertelkreises mit rechnerischer Bilanzdeckungsfläche FEAnnahme eines Halbkreises mit rechnerischer Bilanzdeckungsfläche FEAnnahme eines Kreises mit rechnerischer Bilanzdeckungsfläche FE PorenGwL: 2-fach Kluft-/KarstGwL: 3-fachPorenGwL: 4-fach Kluft-/KarstGwL: 6-fachPorenGwL: 8-fach Kluft-/KarstGwL: 12-fach Unterstromige Einzugsgebietsgrenze ab Fassung 20 m EG-Neuabgrenzung im 2. Zyklus
Origin | Count |
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Bund | 33 |
Land | 11 |
Type | Count |
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Förderprogramm | 20 |
Text | 10 |
unbekannt | 10 |
License | Count |
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geschlossen | 18 |
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