Die Flusssysteme Amazonas und Rio Pará tragen das größte Volumen an Süßwasser in den Ozean ein und bilden eine wichtige Schnittstelle für den Eintrag von Spurenmetallen und gelösten organischen Stoffen (DOM) vom Land in den Ozean. Neben der Bedeutung des Amazonas für den globalen Spurenmetallhaushalt des Ozeans hat sein Mikronährstoff-Eintrag auch einen großen Einfluss auf die biologische Produktivität der Küsten- und Schelfregion und darüber hinaus. Das Hauptziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, die Rolle der chemischen Speziation und der physiko-chemischen Größenfraktionierung von Spurenmetallen im Mischungskontinuum dieser Flüsse zum Atlantik zu verstehen. Wir werden die Wechselwirkungen von Spurenmetallen mit DOM und Kolloiden in der Wassersäule und den Oberflächensedimenten der Amazonas- und Pará-Mündung und der damit verbundenen Mischungsfahne sowie des Mangrovengürtels mit Grundwassereintrag südöstlich des Rio Pará untersuchen. Basierend auf Proben, die während der Forschungsfahrt M147 in der Hochwasserperiode 2018 genommen wurden, und vorläufigen Daten, die in unserem Labor erzeugt wurden, werden wir Veränderungen der Spurenmetallverteilungen und -speziationen in der Amazonas-Region entlang der Salzgradienten untersuchen. Um zu beurteilen, was die chemische und physikalische Speziation und den Transport von Spurenmetallen im Ästuar und in der Abflussfahne kontrolliert, werden wir uns auf drei verschiedene Prozesse konzentrieren: • Größenfraktionierung, Sorption und Entfernung von Spurenmetallen: Sorption von Spurenmetallen an Flusspartikeln und Ausfällung durch Koagulation von Kolloiden und Größenfraktionierung; wie verändert sich die Assoziation von Spurenmetallen mit verschiedenen löslichen, kolloidalen und partikulären Fraktionen entlang des Salzgehaltsgradienten?• Lösungskomplexierung: Bildung von löslichen metall-organischen Komplexen; wie verstärkt dieser Prozess den Metalltransport durch Konkurrenz mit Sorption an Kolloiden und Ausfällung? • Akkumulation von Spurenmetallen in Sedimenten: wie wirken die Sedimente als Senke und Quelle von Spurenmetallen, und können Oberflächensediment und Porenwasser zu den Spurenmetallflüssen in der Region beitragen? Zusätzlich zu den voltammetrischen und ICP-MS-Analysen der M147-Proben werden wir eine systematische Untersuchung des Mischungsverhaltens verschiedener Elementgruppen (konservativ, partikel-reaktiv und organisch-komplexiert) durchführen, indem wir Labor-Mischungsexperimente mit Meer- und Flusswasser-Endgliedern durchführen, die während der anstehenden Fahrt M174 im Amazonasgebiet genommen werden. Damit erwarten wir, ein ganzheitliches Bild der komplexen Prozesse der Spurenmetall-Biogeochemie und der Elementflüsse in diesem größten Mündungssystem der Welt zu erhalten. Dieses Wissen wird auch wichtig sein, um mögliche Auswirkungen in diesem Gebiet aufgrund der anhaltenden anthropogenen Einflüsse in dieser Region und der sich ändernden klimatischen Bedingungen vorherzusehen.
Zur Loesung von Problemen der Wassererschliessung, des Trinkwasserschutzes, der Abfallagerung und -beseitigung sowie der Ingenieurgeologie werden Tracermethoden und spezielle hydrogeologische Methoden in Poren-, Karst- und Kluftwasserleitern eingesetzt.
Wellen- und tidebeeinflusste sandige Strände machen einen Großteil der weltweiten Küstenlinie aus und spielen eine wichtige Rolle für Kohlenstoff-, Nährstoff- und Metallkreisläufe. Während Flut strömt Meerwasser in den Sedimentkörper, ebenso wird organisches Material eingetragen. Im Sediment wird dieses von Mikroorganismen abgebaut, sodass bei Ebbe an Nährstoffen angereichertes Wasser zurück in den Küstenozean strömt, wo die rezirkulierten Nährstoffe zur Primärproduktion genutzt werden. Durch mikrobielle Abbauprozesse entwickeln sich Redoxgradienten, die den Porenwasser-Chemismus prägen. Strände können sich außerdem in einer Mischzone zwischen süßem Grundwasser und Salzwasser befinden (subterranes Ästuar), sodass Salinitätsgradienten die Sediment-Porenwasser-Interaktion beeinflussen. Süßwasser ist zudem eine Quelle für terrestrische gelöste Stoffe. Um die globale Rolle von Strandsystemen in Bezug auf Kohlenstoff-, Nährstoff- und Metallzyklen verstehen zu können, ist es notwendig, biogeochemische Prozesse in Strandsedimenten detailliert und an verschiedenen Stränden weltweit zu untersuchen. Da in diesem Forschungsbereich nur wenige Studien existieren und insbesondere die Quellen- oder Senkenfunktion dieser Systeme bezüglich redoxsensitiver Metalle noch weitgehend unbekannt ist, wird dieses Projekt einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der Metallzyklen in solchen Systemen liefern. Wir planen, biogeochemische Prozesse in den subterranen Ästuaren von zwei kontrastierenden Strandsystemen auf den Inseln Spiekeroog (NW Deutschland, mesotidal, siliziklastisch) und Mallorca (Spanien, mikrotidal, carbonatisch) zu untersuchen. Es sollen Hauptionen, DOC, O2, H2S, Nährstoffe (N, P, C, Si) und Spurenmetalle (Mn, Fe, U, Mo, V, Re) sowie Fe-Isotopenverhältnisse im Strandporenwasser analysiert werden. Wir planen ebenfalls die Sedimentzusammensetzung zu charakterisieren, da diese die Porenwasserzusammensetzung maßgeblich beeinflusst. An beiden Standorten sollen Transekte zwischen Düne und Niedrigwasserlinie bis in 5 m (Spiekeroog) bzw. 2 m (Mallorca) Tiefe hochaufgelöst beprobt werden. Der Fokus des Projekts liegt darin, Redox- und Salinitätsgradienten zu identifizieren sowie deren Auswirkungen auf die Porenwasserzusammensetzung zu interpretieren. Hydrochemische Modellierung anhand der erhobenen Daten soll zu einem besseren Verständnis der Effekte der Mischung von Grundwässern unterschiedlicher Zusammensetzung beitragen. Es sollen quantitative Aussagen zur Quellen- oder Senkenfunktion der Strände bezüglich essentieller Nährstoffe und redoxsensitiver Metalle erarbeitet werden. Fe-Isotopenverhältnisse dienen dazu, das limitierte Wissen über den Fe-Kreislauf in subterranen Ästuaren zu erweitern und die Fe-Isotopensignatur des Porenwasserflusses aus diesen Systemen besser zu definieren. Weiterhin wird diese Studie eine solide Datenbasis für die Modellierung des Porenwasser-Austroms von einzelnen Elementspezies aus permeablen Sedimenten in den Küstenozean liefern.
Für die Charakterisierung und Quantifizierung der Konnektivität von hydrostratigraphischen Einheiten in Porengrundwasserleitern ist im Vergleich zur Erfassung und Quantifizierung der räumlichen Verteilung hydraulischer Leitfähigkeiten bisher nur wenig Forschung betrieben worden. Dies trifft nicht nur auf die theoretische Betrachtung der Konnektivität von Aquiferstrukturen verschiedener Größenordnungen zu, sondern insbesondere auch auf deren Erfassung und Quantifizierung durch Feldversuche. Die Unsicherheiten bezüglich der Kontinuität hydrostratigraphischer Einheiten genauso wie die bisher noch größere Unsicherheit bezüglich ihrer Konnektivität, führen immer noch zu teils erheblichen Problemen bei der Betrachtung, Modellierung und Vorhersage des realen, natürlichen Stofftransports insbesondere in heterogenen Grundwasserleitern. Daher glauben wir, dass eine genauere Betrachtung und Erforschung von Konnektivität von wesentlicher Relevanz für die Erfassung der Stofftransporteigenschaften in heterogenen Aquiferen ist. In diesem Zusammenhang basiert unsere initiale Arbeitshypothese auf einer Verbindung zwischen Konnektivität und Signalimpulsen verschiedener Frequenzbereiche von hydraulischen Messungen als auch für Messungen der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP). Dabei soll der Zusammenhang zwischen Signalfrequenz und Signalamplitudendämpfung (für SIP zusätzlich Phasenverschiebung) als möglicher Indikator (oder als Maß) für verschiedenartige Konnektivitäten untersucht werden. Ausgangspunkt dieses Projektes ist zunächst die Entwicklung eines oder mehrerer theoretischer Konnektivitätskonzepte. Weiterhin soll das Potential geophysikalischer (SIP) und hydraulischer Messungen (z.B. Direct Push gestützte Cross-Hole oder Slug Interference Tests) sowie eine Kopplung von hydraulischen und geophysikalischen Messungen untersucht werden. Dabei soll vor allem die erwähnte Frequenzabhängigkeit der gemessenen Signale für verschiedene Konnektivitätsszenarien näher betrachtet werden um deren Eignung für die Erfassung der Konnektivität zu prüfen. Dafür werden direkt vergleichbare und simultan durchgeführte Laborversuche und numerische Simulationen der unterschiedlichen Konnektivitätsszenarien betrachtet. Die Experimente und Simulationen werden dabei mit steigender Komplexität, auf unterschiedlichen Größenordnungen und dementsprechend mit unterschiedlichen Konnektivitätsszenarien realisiert. Die Ergebnisse der Simulationen und Experimente sollen dann genutzt werden, das entwickelte theoretische Konzept (bzw. die Konzepte) iterativ anzupassen und zu optimieren. Das Hauptziel des Projektes besteht darin, dass auf der Basis des optimierten theoretischen Konnektivitätskonzepts die Ergebnisse der (simulierten) Labor- und Feldexperimente nutzen zu können, um Konnektivität messen und diese neue Information letztendlich in Strömungs- und Transportmodelle einfließen lassen zu können.
Bei der Herstellung von Bohrpfählen in Böden unterhalb des Grundwassers kann es zu einem Bodeneintrag in den Beton und damit zu einer Schwächung des Pfahlbetonquerschnittes kommen. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist, ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Frischbeton, Boden und Porenwasser zu bekommen, um das Risiko von Ausführungsmängeln zu reduzieren. Aufgabenstellung und Ziel Bei der Herstellung von verrohrt gebohrten Bohrpfählen besteht das Risiko eines Bodeneintrags in den Frischbeton beim und nach dem Ziehen der Verrohrung. Im Rahmen verschiedener Bauvorhaben der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) konnte dies bereits beobachtet werden. So wurde z. B. beim Bau einer überschnittenen Bohrpfahlwand in enggestuften Sanden, unterhalb des Grundwasserspiegels Bodenmaterial in die Pfähle eingetragen. Dabei handelte es sich um Boden aus dem Bereich des Pfahlfußes, der beim Betonieren an der Verrohrung anhaftete. Dieser Boden kann dann beim Ziehen der Verrohrung verschleppt und teilweise bis an die Oberfläche gefördert werden. Durch die Verschleppung des Bodeneintrags kann es zu einer Verunreinigung des Betons kommen, welche eine Schwächung des Pfahlbetonquerschnittes mit sich bringt. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist, ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Frischbeton, Boden und Porenwasser bei der Pfahlherstellung zu erlangen. Dies soll dazu beitragen das Risiko von Ausführungsmängeln bei der Herstellung von Ortbetonpfählen zu reduzieren. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Im letzten Jahrzehnt fanden vermehrt gebohrte Ortbetonpfähle bei Bauvorhaben der WSV Verwendung. Überschnittene Bohrpfahlwände wurden z. B. an den Schleusenbaugruben der Schleusen Fankel, Zeltingen und Trier an der Mosel und an der Schleuse Bolzum am Stichkanal Hildesheim, sowie an der Schleuse Minden an der Weser als temporäre Baubehelfe ausgeführt. Des Weiteren wurden sie an der Weser bei der Schleusenkammer Dörverden oder als Uferwand bei den Schleusen Lehmen und Trier an der Mosel in das Bauwerk integriert und dienen zur dauerhaften Lastabtragung. Für die nächsten Jahre sind an den Schleusenbaugruben des Dortmund-Ems-Kanal (DEK) Nord, in Erlangen und in Kriegenbrunn am Main-Donau-Kanal (MDK) überschnittene Bohrpfahlwände in der Planung. Hierbei gilt es, Ausführungsmängel wie z. B. die oben beschriebenen zu vermeiden, da deren Sanierung, falls überhaupt möglich, zeit- und kostenintensiv ist. Untersuchungsmethoden Untersuchungen mithilfe von in situ Messungen und Modellversuchen sollen dazu beitragen, die Wechselwirkung zwischen Frischbeton, Boden und Porenwasser beim Herstellungsprozess abzubilden. Im ersten Schritt wurde im Rahmen einer Literaturrecherche der aktuelle Stand der Technik erfasst. Bei den nachfolgenden auf mehreren Baustellen durchgeführten Untersuchungen lag der Fokus auf der Entwicklung des Frischbetondrucks im Bohrpfahl, um erste Ansätze für die Erfassung der Einflüsse des Betoniervorgangs auf den Boden zu erhalten. Die hierfür vorab im Labor getesteten Drucksensoren dienen den Messungen zur Frischbetondruckentwicklung auf der Baustelle. Auf Grundlage der Messergebnisse erfolgte anschließend die Planung und Durchführung von Modellversuchen, um den Einfluss der Herstellung der verrohrten Bohrpfähle auf den Boden zu untersuchen. Es ist geplant, die beobachteten Phänomene ergänzend mit numerischen Methoden zu simulieren.
Es sollen Versuche am Gewässerbett-Simulator durchgeführt werden, um die Erosionsrate und die Verflüssigung während Wellenbelastung quantitativ zu untersuchen. Außerdem wird der Einfluss von Sickerströmungen in und aus dem Boden auf das Strömungsprofil oberhalb der Bodenprobe untersucht. Aufgabenstellung und Ziel Uferböschungen und die Sohle von Binnenwasserstraßen unterliegen hydraulischen Einwirkungen. Dazu gehören natürliche und schiffserzeugte Wellen und Strömungen sowie Sickerströmungen im Boden. Das Forschungsprojekt behandelt Prozesse und Wechselwirkungen, die durch diese Einwirkungen am und im Gewässerbett auftreten. Der Begriff Gewässerbett bezeichnet hier den dreiphasigen Bodenkörper, bestehend aus Korngerüst, Porenwasser und im Porenraum eingeschlossenen Gasblasen, an dessen Oberfläche frei fließendes Wasser angrenzt. Dieser Bodenkörper ist durchlässig und verformbar und interagiert mit der freien Strömung. Durch die hydraulischen Einwirkungen kann es am Gewässerbett zu Erosionsprozessen kommen. Gleichzeitig treten im Gewässerbett Porenströmungen auf, die den Spannungszustand im Boden ändern. Wie sich diese Mechanismen gegenseitig beeinflussen, wird im Rahmen des Forschungsprojektes mit experimentellen Methoden analysiert. Zunächst werden Bodenprozesse, die durch Welleneinwirkung hervorgerufen werden, untersucht. Vor allem bei feinsandigen Böden mit einem geringen Anteil an Luft im Porenraum kann es zur Verflüssigung einer oberflächennahen Schicht und damit zum vollständigen Verlust der Scherfestigkeit und der effektiven Spannungen kommen. Bei Überströmung treten Wechselwirkungen zwischen Porenströmung, freier Strömung und Verflüssigungsprozessen auf, die sich auf den Erosionsprozess auswirken können. In Modellversuchen im Gewässerbettsimulator können die hydraulischen Randbedingungen gezielt und reproduzierbar erzeugt und die Bodenreaktionen beobachtet werden. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) In den Bemessungsgrundlagen für Böschungs- und Sohlensicherungen (GBB2010) werden durch Schiffswellen induzierte Porenwasserüberdrücke im Gewässerbett im Hinblick auf die Böschungsstabilität berücksichtigt. Die geotechnische Bemessung basiert auf halbempirischen Ansätzen, deren Genauigkeit mit den Laborversuchen überprüft wird. Bei 7.300 km Binnenwasserstraßen in Deutschland kann eine Optimierung der Bemessung einen deutlichen Beitrag zur Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der Binnenwasserstraßen leisten, was in diesem FuE-Vorhaben in Verbindung mit weiteren laufenden Forschungsprojekten der BAW angestrebt wird. An technisch-biologischen Ufersicherungen wurde z. B. beobachtet, dass trotz geringer Strömungsgeschwindigkeiten Erosion auftritt. Ob entstehende Porenwasserüberdrücke oder Verflüssigung sich auf den Erosionsprozess auswirken, ist bisher nicht eindeutig geklärt. Ein vertieftes Prozessverständnis kann somit zu verbesserten Lösungsansätzen und einer technisch zuverlässigen Ausführung der naturnahen Ufersicherungen beitragen. Untersuchungsmethoden Im Jahr 2018 wurde der in der BAW entwickelte Gewässerbett-Simulator (GeSi) fertiggestellt. Mit dieser Versuchsanlage werden Bodenproben überströmt, während gleichzeitig fluktuierende Wasserdrücke zur Simulation von Wellen auf die Probe aufgebracht werden können. Damit können bei definierten hydraulischen Randbedingungen im Naturmaßstab die bodenmechanischen Reaktionen, die Mobilität der Sedimentoberfläche und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit analysiert werden. Der Erosionsprozess an der Sedimentoberfläche wird während der Experimente von oben gefilmt. Die Analyse der Videodaten wurde bisher durch Auswertung von Bilddifferenzen durchgeführt, um die Annahme, dass eine erhöhte Sedimentmobilität eine erhöhte Bildänderung hervorruft, qualitativ zu überprüfen (Ewers 2020). (Text gekürzt)
Die Wechselwirkung zwischen Oberflächenwasser, Porenwasser und Korngerüst bedingen die Lagestabilität bzw. den Bewegungsbeginn von Bodenpartikeln. Dieser Prozess soll numerisch simuliert werden.
Mikroplastik (MP, Plastikteile kleiner als 5 mm) werden als neu aufkommende Schadstoffe betrachtet und neuste Studien belegen die potentielle Gefahr von MP für die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Die Forschung hat sich bisher mehrheitlich auf die Untersuchung von MP in der marinen Umgebung konzentriert. Allerdings konnte MP auch vermehrt Süßwasser und -sedimenten weltweit nachgewiesen werden. Als Primärpartikel oder Sekundärprodukte aus dem Abbau von Makroplastik kann MP entweder direkt toxisch wirken oder als Überträger von sorbierten Schadstoffen fungieren. Neuste Studien belegen außerdem, dass MP in die menschliche Nahrungskette eindringen kann. Weiterhin können die dem MP beigefügten endokrinen Disruptoren wie Bisphenol A (BPA) and Nonylphenol (NP) während der Transportprozesse an das Süßwasser abgegeben werden. Dabei können Flussbettsedimente potentielle Hotspots für die Akkumulation von MP und deren Additive darstellen.Das Hauptziel dieses Projektes ist, die Akkumulation und den Transport von MP in Süßwasser und -sedimenten näher zu untersuchen. Dabei soll den folgenden beiden grundsätzlichen Fragen nachgegangen werden:(i) Welche Prozesse kontrollieren Transport und Akkumulation von MP verschiedener Größe, Dichte und Zusammensetzung und wie bilden sich sogenannte Mikroplastik-Hotspots in der hyporheischen Zone?(ii) Wie können Transport und Akkumulation von MP sowie die Freisetzung von Additiven wie BPA und NP unter variablen Umweltbedingungen beschrieben und vorhergesagt werden? Zwei Arbeitspakete (WP) sollen helfen, diese Fragen zu beantworten:WP1 befasst sich mit den Auswirkungen der grundlegenden Eigenschaften von MP wie Größe, Form, Zusammensetzung, Dichte, Auftrieb auf deren Transport und untersucht systematisch, wie verschiedene Arten von MP in der hyporheischen Zone (hier Flussbettsedimente) unter diversen hydrodynamischen und morphologischen Bedingungen akkumulieren. Dafür sollen Versuche in künstlichen Abflusskanälen (artificial flumes) durchgeführt werden. In diesen Versuchen werden repräsentative hydrodynamische und morphologische Bedingungen geschaffen, um eine Spannbreite an primären und sekundären MP zu testen, ihr Transportverhalten zu beschrieben und die Freisetzung von Additiven näher zu untersuchen. MP wird mit verschiedensten Methoden charakterisiert, z.B. mit single particle ICP-MS zur Bestimmung der Größe oder FT-IR zur Bestimmung des vorherrschenden Polymers. Während der Flume-Experimente werden die Eigenschaften der Sedimente, des Porenwassers und der Biofilme, sowie die Konzentration an BPA und NP gemessen und später analysiert, um die Reaktivität der Akkumulationshotspots zu bestimmen.WP2 beinhaltet die Entwicklung und Anwendung eines Models, um MP-Transport sowie die Freisetzung von Additiven in der hyporheischen Zone vorherzusagen. Da Modelle, die momentan im Bereich Stofftransport verwendet werden nicht für MP ausgelegt sind, soll die Lattice-Boltzmann Methode als neuer Modellansatz verfolgt werden.
Wasserbauliche Massnahmen, die zur Sicherung der Gewaesserufer gegen Erosion dienen, stellen Eingriffe in die Oekologie und die wasserwirtschaftliche Funktion der Gewaesser dar. Die in ihren hydrologischen, -dynamischen und morphologischen Eigenschaften veraenderten Gewaesser bewirken qualitative und quantitative Aenderungen in der Zusammensetzung der von ihnen beherbergten Lebensgemeinschaften. Eine Reduktion der Artenvielfalt, verbunden mit geringeren fischereilichen Ertraegen und Verringerung des Selbstreinigungsvermoegens der Gewaesser sind oft die unerwuenschten Folgen. Untersuchungen zum oekologischen Verhalten von Uferdeckwerken sollen daher die Eignung verschiedener Uferbefestigungsverfahren fuer die wasserbauliche Praxis pruefen. Durch Untersuchungen im Freiland und Versuche im Laboratorium sollte geprueft werden, on sich das zur Kolkverfuellung im Rhein verwendete Bergematerial nachteilig auf die Lebensgemeinschaft des Rheins auswirkt. Die faunistichen Erhebungen an der Rheinsohle zeigten, dass zwischen der Besiedlung von Bergematerial und den anderen an der Rheinsohle vorkommenden Besiedlungssubstraten (Naturstein) keine qualitativen und /oder quantitativen Unterschiede bestehen. Auch konnte keine vom Bergematerial ausgehende Qualitaetsaenderung des Porenwassers festgestellt werden. Eine Beeintraechtigung der Lebensgemeinschaft des Rheins durch das Bergematerial war nicht erkennbar.
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