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 Ozonierung ist eine etablierte Technologie zur effizienten Oxidation von organischen Spurenstoffen in der Wasseraufbereitung. Ein wesentlicher Nachteil bei der Anwendung von Ozon ist die Bildung von stabilen und potenziell toxischen Ozonungsprodukten (OPs). Kritisch sind wegen ihrer Langlebigkeit vor allem biologisch stabile OPs. Unmöglich kann die Reaktion aller relevanter CECs mit Ozon, die dabei entstehenden OPs und deren biologische Stabilität untersucht werden. Vielmehr ist es notwendig, basierend auf dem systematischen Studium funktioneller Gruppen Kenntnisse zu generieren, die auf andere Stoffe übertragbar sind. Bislang wurden solche systematischen Studien aber nicht durchgeführt. Noch größer ist die Wissenslücke bei den im Abwasser vorliegenden organischen Kohlenstoffverbindungen (engl.: effluent organic matter, EfOM). Zwar belegt die Ozonzehrung von EfOM dessen Reaktivität gegenüber Ozon, aber welche funktionellen Gruppen reagieren, welche Produkte gebildet werden und wie biologisch stabil diese sind, ist gerade für EfOM mit Heteroatomen (N, S) nicht untersucht. Dieses Vorhaben will beide Lücken durch ein komplementäres analytisches und experimentelles Vorgehen schließen, mit dem gemeinsamen methodischen Ansatz der Einführung einer Markierung in die OPs durch Verwendung von 18O-Ozon und der nachfolgenden Detektion und Identifizierung der OPs mithilfe der (ultra-hochauflösenden) Massenspektrometrie. Das Vorhaben basiert auf der zentralen Hypothese, dass die Reaktion von Ozon sowohl mit bestimmten funktionellen Gruppen organischer Spurenstoffe als auch mit äquivalenten Gruppen des EfOM zu einer vorhersagbaren Bildung von OPs führt. Es zielt darauf ab, i) unser Verständnis der Reaktivität verschiedener funktioneller Gruppen gegenüber Ozon zu verbessern, wobei der Schwerpunkt auf der Identifikation biologisch schwer abbaubarer Funktionen innerhalb der OPs liegt, ii) ozon-reaktive funktionelle Gruppen im EfOM basierend auf bestehendem Wissen zur Transformation von Spurenstoffen zu identifizieren, wobei der Schwerpunkt auf N- und S-haltigen funktionellen Gruppen liegt, welche potentiell chemisch stabile OPs bilden, und iii) die Bedeutung des EfOM im Hinblick auf die Bildung biologisch schwer abbaubarer OPs in der Ozonierung von Abwasser zu bewerten. Dazu soll der biologische Abbau der OPs anhand deren spezifischen funktionellen Gruppen in Säulen-Abbauversuchen und einer simulierten Grundwasseranreicherung untersucht werden. Mit dem neuen Ansatz der Markierung sind wir in der Lage, OPs von CECs ebenso wie von EfOM sicher zu detektieren, besser zu identifizieren und ihre Stabilität gut zu verfolgen. Das Vorhaben generiert ein systematisches und übertragbares Verständnis zur Bildung stabiler OPs basierend auf funktionellen Gruppen organischer Moleküle, von CECs wie von EfOM. Erst wenn die Stabilität der möglichen OPs untersucht ist, wird auch eine systematische toxikologische Bewertung der Ozonung als Wasseraufbereitungsmethode möglich.
In den letzten zwei Jahrzehnten ereigneten sich in Deutschland und Österreich eine Reihe extremer Hochwasser, die mit den größten derartigen Ereignissen seit Beginn der systematischen Abflussbeobachtungen zu Beginn des 20. Jahrhunderts vergleichbar waren, oder diese sogar in ihrer Größe überschritten. Derartige Rekordhochwasser unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht von kleineren Hochwasserereignissen. Das Ausmaß, die Dauer und die räumliche Ausdehnung eines extremen Hochwassers werden von einer Reihe von Faktoren (beispielsweise durch den Niederschlag und seine räumliche und zeitliche Verteilung, den Vorfeuchtebedingungen und den Einzugsgebietseigenschaften wie Flächennutzung, Böden, Flussnetzen und anderen) gesteuert. Das Zusammenwirken des Regens in seiner ereignisspezifischen räumlichen und zeitlichen Verteilung mit der Bodenfeuchte ist oft der auslösende Faktor, da es eine extreme Abflussbildung bedingt. Sobald eine Hochwasserwelle sich im Flussnetz stromabwärts bewegt, wird ihr weitere Verlauf durch die Wechselwirkungen zwischen der Abflussbildung in den verschiedenen Teilbereichen des Einzugsgebietes, der Überlagerung von Hochwasserwellen aus Zuflüssen und den zur Verfügung stehenden Retentionsvolumina in den Überschwemmungsgebieten bestimmt. Welche Kombinationen dieser Faktoren extreme Hochwasserereignisse bedingen, stellt eine wichtige und interessante hydrologische Frage dar. Oft werden nur einige dieser Faktoren die Hochwasserentstehung dominieren und selten werden alle diese Faktoren gleichzeitig im Bereich ihres Maximums auftreten. Große Realisierungen einiger Wirkungsfaktoren reichen aber in der Regel aus, um extreme Hochwasserereignisse zu bedingen. In diesem Projekt werden diese Faktoren und deren Kombinationen im Rahmen einer detaillierten Analyse von extremen Hochwasserereignissen in verschiedenen Regionen Deutschlands und Österreichs untersucht. Aus der Anwendung eines einheitlichen analytischen Rahmens sind weitergehende Einblicke in den Hochwasserentstehungsprozess zu erwarten. Die Ergebnisse der Ereignisanalysen können durch regionalen Vergleiche verallgemeinert werden. Die Erkenntnisse zur Steuerung der hydrologischen Prozesse der Hochwasserentstehung werden in einem neuen GIS-basierte deterministischen Modellen zusammengefasst, um so das Wissen über die Entstehung von extremen Hochwasserereignissen zu verallgemeinern und zu formalisieren.
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.
In hydrology, the relationship between water storage and flow is still fundamental in characterizing and modeling hydrological systems. However, this simplification neglects important aspects of the variability of the hydrological system, such as stable or instable states, tipping points, connectivity, etc. and influences the predictability of hydrological systems, both for extreme events as well as long-term changes. We still lack appropriate data to develop theory linking internal pattern dynamics and integral responses and therefore to identify functionally similar hydrological areas and link this to structural features. We plan to investigate the similarities and differences of the dynamic patterns of state variables and the integral response in replicas of distinct landscape units. A strategic and systematic monitoring network is planned in this project, which contributes the essential dynamic datasets to the research group to characterize EFUs and DFUs and thus significantly improving the usual approach of subdividing the landscape into static entities such as the traditional HRUs. The planned monitoring network is unique and highly innovative in its linkage of surface and subsurface observations and its spatial and temporal resolution and the centerpiece of CAOS.
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.
Problemstellung: Moorassoziierte Fliessgewaesser erhalten aus den benachbarten, organisch gepraegten Lebensraeumen einen erheblichen Stoff- und Energieeintrag, dabei spielen vor allem Huminstoffe ein quantitativ bedeutende Rolle. Zielsetzung: Fuer die Haidgauer Ach im Wurzacher Ried (Lkr. Ravensburg) wurde exemplarisch untersucht, inwieweit sich dieser Eintrag auf Limnochemie und die Makrozoobenthoszoenose des Gewaessers auswirkt. Die limnochemischen Untersuchungen erfassten Menge und Dynamik der eingetragenen organic matter Frachten und deren Quellen. Das Zoobenthos wurde quantitativ auf zoenotischer Ebene sowie auf der Ebene einzelner biomassebestimmender Populationen durchgefuehrt. Um direkte Auswirkungen geloester organischer Stoffe auf aquatische Evertebraten zu hinterfragen, wurden ionenregulative Epithelien nach Exposition unter experimentellen Bedingungen mit dem Elektronenmikroskop untersucht. Die Ergebnisse belegen einen potamalisierenden Effekt der 'organic matter' Eintraege. Innerhalb der Zoenose traten zusaetzliche graduelle Verschiebungen auf, die beispielsweise auf die hohe Mobilisierung der organischen Partikel oder die Reduktion der Bioverfuegbarkeit von Calcium durch die geloesten organischen Stoffe zurueckzufuehren waren. Erste Ergebnisse zur Auswirkung der erhoehten Huminstoffgehalte auf subzellulaerer Ebene ergaben, dass Chloridzellen von Koecherfliegenlarven bei hohen Huminstoffgehalten vergroesserte Bereiche mit glattem endoplasmatischen Retikulum aufweisen. Diese Veraenderungen in der Ultrastruktur deuten damit einen moeglicherweise toxischen Effekt von Huminstoffen unter neutralen Bedingungen an, der zu einer Anpassungsreaktion auf zellulaerem Niveau fuehrt. Stand der Arbeit: Datenerhebung und experimentelle Versuche abgeschlossen, statistische Auswertung der Daten und Texterstellung laeuft.
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.
The decomposition of terrestrial organic material such as leaf litter represents a fundamental ecosystem function in streams that delivers energy for local and downstream food webs. Although agriculture dominates most regions in Europe and fungicides are applied widely, effects of currently used fungicides on the aquatic decomposer community and consequently the leaf decomposition rate are largely unknown. Also potential compensation of such hypothesised adverse effects due to nutrients or higher average water temperatures associated with climate change are not considered. Moreover, climate change is predicted to alter the community of aquatic decomposers and an open question is, whether this alteration impacts the leaf decomposition rate. The current projects follows a tripartite design to answer these research questions. Firstly, a field study in a vine growing region where fungicides are applied in large amounts will be conducted to whether there is a dose-response relationship between the exposure to fungicides and the leaf decomposition rate. Secondly, experiments in artificial streams with field communities will be carried out to assess potential compensatory mechanisms of nutrients and temperature for effects of fungicides. Thirdly, field experiments with communities exhibiting a gradient of taxa sensitive to climate change will be used to investigate potential climate-related effects on the leaf decomposition rate.
Das beantragte Forschungsvorhaben hat die Untersuchung von großskaligen Hochwasserereignissen zum Ziel. Ein Grundproblem hierbei ist, dass herkömmliche Risikoabschätzungen mittels eindimensionalen Extremwertstatistiken (d.h. gemessene Abflüsse an einem Pegel), die integrale Antwort eines Einzugsgebietes sind, wobei multidimensionale Hochwasserursachen in den Oberstrom gelegenen Teileinzugsgebieten nicht berücksichtigt werden. Durch verschiedene raum-zeitliche Niederschlagsereignisse und die daraus resultierenden Abflüsse in diesen Teileinzugsgebieten ergibt sich somit eine Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten, die Unterstrom zu einem extremen Hochwasser führen können. Ein Hauptanliegen des beantragten Forschungsvorhabens ist es, ein besseres Systemverständnis über solche verschiedenen hochwasserauslösenden Mechanismen zu gewinnen, eine Methodik zu entwickeln, um diese zu simulieren und deren Häufigkeit abzuschätzen. Ein besseres raum-zeit Verständnis über solche hochwasserauslösenden Mechanismen liefert bessere Informationen zu Extremereignissen und deren Wiederkehrzeiten. Des Weiteren können so auch Auswirkungen des Klimawandels untersucht werden. Das Wissen über synchrones und asynchrones Auftreten von Hochwassern im Oberstrom gelegenen Teileinzugsgebieten kann auch zu einem besseren Hochwasserrisikomanagement beitragen.
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