Seit den 1930er-Jahren wurde im Raum Duisburg/Wesel der Steinkohlenbergbau auch unter dem Rheinstrom und seinen Vorländern betrieben. In Duisburg befindet sich das Bergwerk Walsum, dessen regelmäßiger Förderbetrieb im Jahr 1936 aufgenommen wurde. Die maximale Jahresförderung von ca. 3,4 Mio. t Steinkohle erbrachte die Zeche mit knapp 4.600 Beschäftigten im Jahr 1984. Als Folge des Untertagebaus traten im Bereich Walsum (Rhein-km 793 bis 798) Geländesenkungen von bis zu 9 m auf, die durch eine Anpassung der Bauwerke und durch Sohlaufhöhungen im Hauptstrom kompensiert wurden. Im Bereich der Rheinaue ist nun allerdings eine Ausuferung bereits ab mittleren Abflüssen zu beobachten. Diese lokalen Veränderungen der Abflussdynamik und des Sedimenttransportvermögens bergen die Gefahr von Anlandungen im Hauptstrom, welche die Sicherheit und Leichtigkeit des Schiffsverkehrs negativ beeinflussen können. Die Auswertung aktueller Peildaten lässt Anlandungstendenzen im Streckenbereich zwischen Walsum und Stapp erkennen. Mitte 2008 wurde, entgegen der ursprünglichen Planung, der Bergbau im Grubenfeld Walsum eingestellt und die Zeche stillgelegt.
Der Beschluss zur Stilllegung war für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Anlass, Prognosen zur Stabilität der Stromsohle in dem betroffenen Rheinabschnitt zu erstellen und erforderlichenfalls geeignete Maßnahmen einzuleiten. Bereits Mitte der 1970er-Jahre hatte die WSV begonnen, die bergsenkungsbedingten Massenverluste der Stromsohle durch die Verklappung von Waschbergematerial zu kompensieren. Insgesamt wurden 13,8 Mio. t dieses Nebenprodukts der Steinkohlengewinnung im Zeitraum von 1976 bis 2008 im Stromabschnitt zwischen Rhein-km 793 und 808 eingebaut. In einigen Bereichen des Streckenabschnitts beträgt die Mächtigkeit dieser Waschbergeschichten mehrere Meter. Laboruntersuchungen belegen, dass Waschbergematerial andere Materialeigenschaften aufweist und sich in seinem Verwitterungsverhalten von natürlichem Rheinkies unterscheidet. Mobilisiertes Waschbergematerial unterliegt auf der Gewässersohle Zerfallsprozessen, mit der Tendenz, relativ schnell zwischen den deutlich härteren Kiesfraktionen zerrieben, in Suspension überführt und schließlich aus der Strecke ausgetragen zu werden.
Die Untersuchungen der BAW konzentrierten sich in einem ersten Schritt auf die Ermittlung der durch die Bergsenkungen verursachten Auswirkungen auf die Morphologie der Stromsohle im Bereich von Duisburg bis Wesel. Dabei kam ein zweidimensionales Feststofftransportmodell (2D-FTM) zum Einsatz. Für diese hydromorphologischen Betrachtungen war im Vorfeld der Aufbau eines historischen Geländemodells erforderlich, welches den Vorlandzustand des Untersuchungsgebiets vor Beginn der Bergbautätigkeiten erfasst. Dieses Geländemodell wurde mit Hilfe topografischer Karten der Preußischen Landesaufnahme aus dem Jahr 1892 erstellt.
Fischaufstiegsanlagen (FAA) haben eine wesentliche Bedeutung für die Herstellung der fischökologischen Durchgängigkeit von Querbauwerken. Allerdings ist das Verständnis der Auffindbarkeit von FAA insbesondere in großen BWaStr derzeit noch begrenzt. Nach derzeitigem Kenntnisstand zur Planung von FAA folgen wandernde Fische einer Leitströmung aus dem Unterwasser in den Einstieg der FAA. Welche konkreten hydraulische Parameter dabei eine signifikante Rolle spielen ist aber unbekannt. Ebenso ist die Frage der potenziellen Bedeutung anderer abiotischer Faktoren wir Morphologie, Akustik oder Lichtintensität nicht ausreichend geklärt, insbesondere für die potamodromen Arten Mitteleuropas. Anhand hydraulischer und anderer abiotischer Faktoren sowie einer Analyse von Fischbewegungsmustern im Unterwasser von Querbauwerken sollen Aufstiegskorridore von Wanderfischen identifiziert, parametrisiert und modelliert werden. Ziel des Projektes ist es, Aufstiegskorridore anhand abiotischer Faktoren räumlich abzugrenzen und somit die Auffindbarkeit von Fischaufstiegsanlagen und den Stand der Technik für Planungen von FAA in BWaStr zu verbessern.
Ultrafeine Partikel (UFP) mit einem aerodynamischen Durchmesser kleiner als 100 nm stehen unter dem Verdacht die menschliche Gesundheit zu schädigen, allerdings fehlt bisher die abschließende wissenschaftliche Evidenz aus epidemiologischen Studien. Zur Herleitung von Expositionskonzentrationen gegenüber UFP wurden zum Teil statistische Modellierungsverfahren genutzt um UFP-Anzahlkonzentrationen vorherzusagen. Ein häufig genutztes Verfahren ist eine auf Flächennutzung basierte lineare Regression („land-use regression“, LUR). Allerdings wurden in luftqualitativen Studien auch andere, ausgefeiltere Modellansätze benutzt, z.B. „machine learning“ (ML) oder „deep learning“ (DL), die eine bessere Vorhersagegenauigkeit versprechen. Das Ziel des Projekts ist die Modellierung von UFP-Anzahlkonzentration in urbanen Räumen basierend auf ML- und DL-Algorithmen. Diese Algorithmen versprechen eine bessere Vorhersagegenauigkeit gegenüber linearen Modellansätzen. Mit unserem Modellansatz wollen wir sowohl räumliche als auch zeitliche Variabilität der UFP-Anzahlkonzentrationen abbilden. In einem ersten Schritt werden die Messergebnisse aus mobilen Messkampagnen genutzt um ein ML-basiertes LUR Modell zu kalibrieren. Zusätzlich werden urbane Emissionen aus lokalen Quellen, abseits vom Straßenverkehr, identifiziert und explizit in das Modell einbezogen. In einem zweiten Schritt wird ein DL-Modellansatz basierend auf Langzeit-UFP-Messungen mit dem ML-Modell gekoppelt um die Repräsentierung der zeitlichen Variabilität zu verbessern. Unser vorgeschlagenes Arbeitsprogramm besteht aus fünf Arbeitspaketen (WP): WP 1 beinhaltet mobile Messungen mittels eines mobilen Labors und eines Messfahrads. WP 2 besteht aus stationären Messungen, die an Stationen des German Ultrafine Aerosol Network durchgeführt werden. In WP 3 werden wichtige UFP-Emissionsquellen, insbesondere Nicht-Verkehrsemissionen, mit Hilfe von zusätzlichen kurzzeitigen stationären Messungen identifiziert und quantifiziert. In WP 4 werden ML-Algorithmen genutzt um ein statistisches Modell aufzubauen. Als Kalibrierungsdatensatz werden die Messungen aus WP 1 benutzt. Das Modell wird UFP-Anzahlkonzentrationen mit Hilfe eines Datensatzes aus erklärenden Variablen, u.a. meteorologische Größen, Flächennutzung, urbaner Morphologie, Verkehrsmengen und zusätzlichen Informationen zu UFP-Quellen nach WP 3, vorhersagen. In WP 5 werden die UFP-Anzahlkonzentrationen aus WP 2 für einen DL-Modellansatz genutzt, der die zeitliche Variabilität repräsentieren wird. Dieser wird dann mit dem ML-Modell aus WP 4 gekoppelt. Der Nutzen der Modellkopplung wird mit dem Datensatz aus WP 3 validiert. Aus unserem Projekt wird ein Modell hervorgehen, das in der Lage ist die räumliche und zeitliche Variabilität urbaner UFP-Anzahlkonzentrationen in einer hohen Genauigkeit zu repräsentieren. Damit wird unsere Studie einen Beitrag zur Quantifizierung von Expositionskonzentrationen gegenüber UFP z.B. in epidemiologischen Studien leisten.
Flussfischgemeinschaften entstehen unter den hoch dynamischen, heterogenen Lebensbedingungen natürlicher Wasserläufe. Die Artenzusammensetzung und -vielfalt solcher Gemeinschaften variiert typischerweise auf verschiedenen Skalen, entlang Höhengradienten oder zwischen Mikrohabitaten, und wird überdies durch die geographische Geschichte des Lebensraumes beeinflusst. Die Community-Assembly Theorie bietet integrative Ansätze zur Erklärung grundlegender Prozesse, die zur Koexistenz von Arten führen; der derzeitige Wissensstand über die-Mechanismen, die der Koexistenz von Arten in komplexen tropischen Fischfaunen zugrunde liegen, ist allerdings sehr lückenhaft. Die Flussfischfauna der indonesischen Insel Sulawesi ist ein sehr geeignetes Modell, um aktuelle Hypothesen zur Koexistenz in solchen Artengemeinschaften zu untersuchen. Die Geschichte der Fauna Sulawesis ist durch die räumliche Isolation von benachbarten Faunen geprägt, und die Topographie der Insel weist zahlreiche kleinere Flusssysteme mit artenreichen Flussfischgemeinschaften auf. Diese umfassen sowohl obligate Süßwasserfische, als auch Arten mit marinen Stadien, bis hin zu Arten, die zwischen Süßwasser und Meer wandern. Aktuelle Fortschritte in der Paläo-Geographie der Insel deuten an, dass Sulawesi aus alten Paläo-Inseln und jüngeren Expansionsgebieten besteht. Das hier beantragte Projekt nutzt die vorhandenen natürlichen Replikate der küstennahen Flussfischgemeinschaften auf den vormals getrennten Inselteilen. Übergeordnetes Ziel ist es, zentrale Prozesse zu verstehen, die der Koexistenz in komplexen Flussfischgemeinschaften zugrunde liegen. Zwei zentrale Hypothesen sollen dazu beitragen, diese Prozesse zu analysieren: (i) Die Entwicklung von Flussfischgemeinschaften wird maßgeblich durch Umweltfilter und räumliche Isolation geprägt; (ii) Funktionelle Eigenschaften ermöglichen die lokale Koexistenz von Arten, und variieren entlang von Umweltgradienten. Um diese Hypothesen zu testen, werden Fische und Daten zu deren Habitatnutzung an einer Gesamtzahl von 63 Flussstrecken gesammelt. Die Beprobung wird dabei signifikante Höhengradienten und eine Vielzahl von Habitaten auf den größten Paläo-Inseln, sowie den daran anschließenden Expansionsbereichen abdecken. Die Habitatnutzung wird dabei durch Punkt-Abundanz-Befischung quantifiziert, ergänzt durch komplementäre Untersuchungen der funktionellen Eigenschaften, der trophischen Nischen, sowie der phylogenetischen Diversität. Zusammengenommen werden die so erhobenen Daten detaillierte Rückschlüsse auf die entscheidenden Prozesse erlauben, die komplexe Fischgemeinschaften formen, am Beispiel einer größeren tropischen Insel.
Teilprojekt C05 hat zum Ziel, den wichtigen Eintragsweg für Kunststoffe, in Form von Mikroplastik, in die Umwelt aus technischen Anlagen (MP) mechanistisch aufzuklären. Gleichzeitig sollen neue Ansätze verfolgt werden, die zur Vermeidung bzw. Reduktion von MP aus Standardkunststoffen maßgeblich beitragen sollen. Zu diesem Zweck sollen Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Nylon, Polyethylenterephthalat, Polyisopren und Polyvinylchlorid durch Beschleuniger (in situ) in ihren Oberflächeneigenschaften für die Biofilmbildung modifiziert und dadurch unter Prozessbedingungen biologisch angreifbar und abbaubar gemacht werden. So können auch Standardkunststoffe umweltverträglicher bezüglich der MP-Partikel Bildung werden. Damit geht TP C05 weit über die bislang üblichen eher deskriptiven Studien zu MP in technischen Anlagen und der Umwelt hinaus. Folgende zentrale Fragen sollen in TP C05 in Hinblick MP-Partikel in technischen Anlagen der Abfall- und Abwasserwirtschaft beantwortet werden: 1. Kommt es in den Anlagen zu spezifischen (biologischen) Abbau- und Degradationsvorgängen? 2. Wie hängen die zu beobachtenden Prozesse von MP-Charakteristika (Materialsorte, Zusammensetzung, Größe, Morphologie, Beschichtung) ab, ? 3. Lassen sich die Vorgänge ('Bioabbaubarkeit') durch gezielte Modifikation der Partikeloberfläche vor oder in den Anlagen beschleunigen? 4. Welche ökologischen Konsequenzen einer Ausbringung der (modifizierten) Partikel in die Umwelt und hier vor allem in den Boden lassen sich postulieren?