Die Klimakrise verändert zunehmend die räumliche und zeitliche Verfügbarkeit von Grundwasser, der wichtigsten globalen Süßwasserressource. Das quantitative Verständnis der Interaktion von Grundwasser und Klima, vor allem auf nationaler und kontinentaler Skala, ist wichtig für ein optimal angepasstes Grundwassermanagement. Bisher ist das Wissen über die großskalige Sensitivität der Grundwasserressourcen auf den Klimawandel jedoch sehr limitiert. Das Ziel des hier vorgestellten Projektes ist die Erforschung der Auswirkungen des Klimawandels und der damit einhergehenden Umweltveränderungen auf den quantitativen Zustand von Grundwasserressourcen auf national-kontinentaler Skala. Etablierte prozessbasierte Modelle (PBMs) zur hydro(geo)logischen Modellierung auf großer Skala (meist „Global Hydrological Models“ - GHMs) sind starke Vereinfachungen der Realität und unterliegen daher deutlichen Limitationen und Unsicherheiten. Im Gegensatz zu anderen PBMs, weisen GHMs daher begrenzte physikalische Konsistenz und Interpretierbarkeit auf und ihre Anwendung kann zu irreführenden Schlussfolgerungen über die Verfügbarkeit von Grundwasser vor dem Hintergrund des Klimawandels führen. Vor allem die Übertragbarkeit auf datenarme Regionen ist nur eingeschränkt möglich. In den letzten Jahren haben sich Deep Learning (DL) Modelle als präziser und leicht übertragbarer alternativer Ansatz in der Modellierung von Wasserressourcen etabliert. Für die Modellierung von Oberflächengewässern wurde zudem gezeigt, dass DL auch spezialisierte PBMs übertreffen kann. Das vorgeschlagene Projekt möchte sich die gewonnenen Erkenntnisse zunutze machen und ein DL-Modell zur Untersuchung der Sensitivität von Grundwasser auf den Klimawandel auf kontinentaler Skala aufbauen. Hierfür wird ein „big data“ Ansatz gewählt, der Daten von >2200 Einzugsgebieten in Nordamerika nutzt (Erweiterung denkbar). Ein solches Modell kann lernen, Wissen über verschiedene Regionen zu transferieren, gewinnt somit stark an Generalisierungsfähigkeit (z.B. auf datenarme Regionen) und schlussendlich an Vertrauenswürdigkeit. Weiterhin soll das Problem von fehlenden, interpretierbaren und physikalisch konsistenten Modellen im nationalen Maßstab angegangen werden, indem physikalisches Wissen und Prozesse in die DL-Modelle eingebaut werden. Durch diese Ansätze soll ein plausibles, interpretierbares und vor allem vertrauenswürdiges Modell entstehen, welches sich zur Untersuchung von Klimawandelszenarien eignet. Die genannten Aspekte sind hierbei besonders kritisch, da für Zeiträume in der Zukunft keine Validierung möglich ist. Das entwickelte Modell dient anschließend der Beantwortung der übergeordneten Fragestellung, und die Auswirkungen des Klimawandels auf die Grundwasserressourcen werden anhand der Daten von Klimamodellen auf Basis von RCP bzw. SSP Szenarien untersucht. Weiterhin werden spezialisierte Untersuchungen (Szenarien) zum Einfluss einzelner Einflussfaktoren (z.B. Landnutzung) durchgeführt.
Sauberes Süßwasser als Ressource gerät zunehmend unter Druck aufgrund erhöhter Variabilität in den hydro-meteorologischen Bedingungen und anthropogener Verschmutzung. Während der Schutz von Wassermenge und Wasserqualität oft als separate Ziele behandelt werden, gibt es klare Hinweise darauf, dass die zunehmende Variabilität der hydro-meteorologischen Bedingungen auch die Wasserqualität beeinflusst, auch über zusätzliche Verschmutzung hinaus. Forschung zu dem Zusammenhang zwischen den Variationen der hydro-meteorologischen Bedingungen und der Wasserqualität wird jedoch oft durch eine niedrige zeitliche Auflösung der Wasserqualitätsdaten oder eine begrenzte Anzahl von Einzugsgebieten mit hochfrequenten Daten erschwert. In diesem Projekt planen wir die Nutzung und Erweiterung eines zusammengestellten Datensatzes von hochfrequenten Wasserqualitätsparametern aus bereits über 70 Stationen in Deutschland, welcher vielfältige Einzugsgebietseigenschaften abdeckt, ebenso wie Zeitreihen von bis zu 20 Jahren. Die Wasserqualitätsparameter dieses Datensatzes reichen von Parametern, deren zeitliche Dynamiken hauptsächlich durch den hydrologischen Transport kontrolliert werden, bis zu solchen, deren Dynamiken von tageszeitlichen Schwankungen in Temperatur und Licht abhängen. Unser Ziel ist es, diese Daten weiter auszubauen, sie zusätzlicher Qualitätskontrollen zu unterziehen und zu homogenisieren, um letztendlich räumliche und zeitliche Muster in den Wasserqualitätsparametern zu identifizieren und ihren Zusammenhang mit der hydro-meteorologischen Variabilität und extremen Bedingungen erklären zu können. In einem ersten Schritt werden wir hierfür den Mehrgewinn von hochfrequenten Messungen im Vergleich zu interpolierten Produkten aus niederfrequenten Messungen sorgfältig testen und bewerten. In einem zweiten und dritten Schritt möchten wir den Zusammenhang zwischen Wasserqualitätsdynamiken und Hochwasserbedingungen (z. B. Abflussereignisse) sowie zwischen Niedrigwasserbedingungen (z. B. Dürren und Nachdürreperioden) analysieren. Zu guter Letzt planen wir eine separate Analyse aller Zeitreihen von mehr als 10 Jahren, mit dem Ziel Trends in der Dynamik der Wasserqualität zu identifizieren, welche durch Veränderungen der hydro-meteorologischen Bedingungen induziert werden. Die Bearbeitung der genannten Ziele soll es uns ermöglichen, unser Verständnis der komplexen Zusammenhänge zwischen hydro-meteorologischen Bedingungen, Wasserqualitätsdynamiken, Einzugsgebietseigenschaften und deren Anfälligkeit für zunehmende Schwankungen und extreme hydro-meteorologische Bedingungen über Deutschland hinaus erheblich zu verbessern.
Globale hydrologische Modelle liefern widersprüchliche Aussagen, z.B. zu mittleren und Niedrigwasserabflüssen in Flusseinzugsgebieten, was zu stark unterschiedlichen Schätzungen der aktuellen Wasserverfügbarkeit oder der Auswirkungen des Klimawandels auf die Süßwasserressourcen führt. Das zentrale Ziel der GlobalCDA-Forschungsgruppe ist es, ein besseres Verständnis globaler Süßwasserressourcen durch verlässliche Quantifizierungen der kontinentalen Wasserflüsse (z.B. Durchfluss und Grundwasserneubildung) und Wasserspeicherung (als Schnee, in Boden, Grundwasser und Oberflächengewässern sowie in Gletschern) zu erlangen. Wir denken, dass ein bedeutender Entwicklungssprung nur durch die Kombination von hydrologischer Modellierung und optimal prozessierten geodätischen bzw. Fernerkundungsdatensätzen in einem ensemble-basierten Kalibrierungs- und Datenassimilierungsansatz (C/DA) erreicht werden kann. Wir verfolgen zwei Hauptziele: (1) Die Entwicklung einer ensemble-basierten Kalibrierungs- und Datenassimilierungsmethodik, die es ermöglicht, in optimaler Weise verschiedene Beobachtungsdaten (In-situ-Durchfluss, GRACE-Anomalien der kontinentalen Wasserspeicherung, Fernerkundungsdaten zu Ausdehnung und Wasserstand von Oberflächengewässern, Schneebedeckung, Gletschermassenänderungen und Durchfluss) mit hydrologischen Modellen zu kombinieren; (2) Die Anwendung dieser Methodik unter Nutzung des globalen hydrologischen Modells WaterGAP, um eine verbesserte quantitative Erfassung von Süßwasserflüssen und -speichern, inklusive Unsicherheiten, in Abhängigkeit von klimatischen und anthropogenen Triebkräften zu erlangen. Die Forschungsgruppe konzentriert sich dabei auf fünf große Einzugsgebiete bzw. Regionen. Die C/DA Methodik umfasst einen Ensemble-Kalman-Filter-Ansatz (EnCDA) für Datenassimilierung und (sehr innovativ) Kalibrierung sowie einen Pareto-optimalen Kalibrierungsansatz (POC), der geeignet ist, zeitlich invariante Parameter zu optimieren. Sensitivitätsanalysen, Angaben zu Unsicherheiten und die Validierung mit unabhängigen Beobachtungsdaten werden zur Bewertung des Mehrwertes der C/DA-Methodik genutzt. Zur Erreichung des angestrebten verbesserten Verständnisses des globalen Süßwassersystems wurden fünf Arbeitsblöcke definiert. (1) Entwicklung der C/DA Methodik, (2) hydrologische Modellentwicklung, (3) Prozessierung von Beobachtungsdatensätzen einschließlich zugehöriger Unsicherheiten, (4) Validierung und Charakterisierung der Unsicherheiten der Modellierungsergebnisse und (5) Erfassung von Wasserspeicherung und -flüssen in fünf kritischen Regionen. Die elf verantwortlichen Forscher*innen und die zwei Mercator Fellows der Forschungsgruppe sind führend in der hydrologischen Modellentwicklung, Fernerkundung und Hydrogeodäsie.
Auf Grund des global ansteigenden Wasserbedarfs und den sinkenden zur Verfügung stehenden Süßwasserressourcen, besteht ein weltweites Interesse an effizienten Entsalzungsverfahren. Süßwasser, das vom Meer oder von geogenen Salzvorkommen beeinflusst wird, weist u. a. oft erhöhte Konzentrationen an Natrium und Chlorid auf. Hohe Nitrat- und Sulfatkonzentrationen resultieren hingegen meist aus landwirtschaftlichem Einfluss. Eine vollständige Entsalzung der Wässer ist nicht sinnvoll, sondern lediglich nur eine Verminderung der monovalenten Ionen nötig. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines energieeffizienten, selektiven, membranbasierten Entsalzungsverfahrens zur gezielten Entfernung monovalenter Ionen aus salzhaltigem Grund- und Oberflächenwasser sowie die Überprüfung potenzieller Anwendungen und Einsatzgebiete unter Berücksichtigung wasserchemischer, ökonomischer und ökologischer Aspekte. Es werden selektive Membranen für einen spezifischen Rückhalt monovalenter Salze entwickelt und in neukonstruierten Modulen für den Einsatz in einem elektrochemischen Verfahren in Labor- und Pilotanlagen verbaut. Mit den Anlagen werden Untersuchungen zur Identifikation optimierter Prozess- und Anlagenparameter in Abhängigkeit unterschiedlicher Rohwasserqualitäten und Aufbereitungsziele durchgeführt. Es wird geprüft, welche resultierenden Effekte und Herausforderungen bei der Grundwasseranreicherung und der Trinkwasseraufbereitung gegeben sind. Die entwickelte Technologie wird anhand einer ganzheitlichen ökonomisch-ökologischen Nachhaltigkeitsbewertung internationalen Zielgrößen wie den Nachhaltigkeitszielen gegenübergestellt, um Handlungsempfehlungen abzuleiten. Durch die Wahl der Partner aus Industrie, Wissenschaft und Praxis ist das Konsortium in der Lage, Anlagen zu bauen und die innovative Technologie bei Praxispartnern vor Ort zu testen und zu bewerten. Die Ergebnisse tragen somit maßgeblich zur Sicherung der Wasserressourcen, national wie international, bei.
Auf Grund des global ansteigenden Wasserbedarfs und den sinkenden zur Verfügung stehenden Süßwasserressourcen, besteht ein weltweites Interesse an effizienten Entsalzungsverfahren. Süßwasser, das vom Meer oder von geogenen Salzvorkommen beeinflusst wird, weist u. a. oft erhöhte Konzentrationen an Natrium und Chlorid auf. Hohe Nitrat- und Sulfatkonzentrationen resultieren hingegen meist aus landwirtschaftlichem Einfluss. Eine vollständige Entsalzung der Wässer ist nicht sinnvoll, sondern lediglich nur eine Verminderung der monovalenten Ionen nötig. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines energieeffizienten, selektiven, membranbasierten Entsalzungsverfahrens zur gezielten Entfernung monovalenter Ionen aus salzhaltigem Grund- und Oberflächenwasser sowie die Überprüfung potenzieller Anwendungen und Einsatzgebiete unter Berücksichtigung wasserchemischer, ökonomischer und ökologischer Aspekte. Es werden selektive Membranen für einen spezifischen Rückhalt monovalenter Salze entwickelt und in neukonstruierten Modulen für den Einsatz in einem elektrochemischen Verfahren in Labor- und Pilotanlagen verbaut. Mit den Anlagen werden Untersuchungen zur Identifikation optimierter Prozess- und Anlagenparameter in Abhängigkeit unterschiedlicher Rohwasserqualitäten und Aufbereitungsziele durchgeführt. Es wird geprüft, welche resultierenden Effekte und Herausforderungen bei der Grundwasseranreicherung und der Trinkwasseraufbereitung gegeben sind. Die entwickelte Technologie wird anhand einer ganzheitlichen ökonomisch-ökologischen Nachhaltigkeitsbewertung internationalen Zielgrößen wie den Nachhaltigkeitszielen gegenübergestellt, um Handlungsempfehlungen abzuleiten. Durch die Wahl der Partner aus Industrie, Wissenschaft und Praxis ist das Konsortium in der Lage, Anlagen zu bauen und die innovative Technologie bei Praxispartnern vor Ort zu testen und zu bewerten. Die Ergebnisse tragen somit maßgeblich zur Sicherung der Wasserressourcen, national wie international, bei.
Auf Grund des global ansteigenden Wasserbedarfs und den sinkenden zur Verfügung stehenden Süßwasserressourcen, besteht ein weltweites Interesse an effizienten Entsalzungsverfahren. Süßwasser, das vom Meer oder von geogenen Salzvorkommen beeinflusst wird, weist u. a. oft erhöhte Konzentrationen an Natrium und Chlorid auf. Hohe Nitrat- und Sulfatkonzentrationen resultieren hingegen meist aus landwirtschaftlichem Einfluss. Eine vollständige Entsalzung der Wässer ist nicht sinnvoll, sondern lediglich nur eine Verminderung der monovalenten Ionen nötig. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines energieeffizienten, selektiven, membranbasierten Entsalzungsverfahrens zur gezielten Entfernung monovalenter Ionen aus salzhaltigem Grund- und Oberflächenwasser sowie die Überprüfung potenzieller Anwendungen und Einsatzgebiete unter Berücksichtigung wasserchemischer, ökonomischer und ökologischer Aspekte. Es werden selektive Membranen für einen spezifischen Rückhalt monovalenter Salze entwickelt und in neukonstruierten Modulen für den Einsatz in einem elektrochemischen Verfahren in Labor- und Pilotanlagen verbaut. Mit den Anlagen werden Untersuchungen zur Identifikation optimierter Prozess- und Anlagenparameter in Abhängigkeit unterschiedlicher Rohwasserqualitäten und Aufbereitungsziele durchgeführt. Es wird geprüft, welche resultierenden Effekte und Herausforderungen bei der Grundwasseranreicherung und der Trinkwasseraufbereitung gegeben sind. Die entwickelte Technologie wird anhand einer ganzheitlichen ökonomisch-ökologischen Nachhaltigkeitsbewertung internationalen Zielgrößen wie den Nachhaltigkeitszielen gegenübergestellt, um Handlungsempfehlungen abzuleiten. Durch die Wahl der Partner aus Industrie, Wissenschaft und Praxis ist das Konsortium in der Lage, Anlagen zu bauen und die innovative Technologie bei Praxispartnern vor Ort zu testen und zu bewerten. Die Ergebnisse tragen somit maßgeblich zur Sicherung der Wasserressourcen, national wie international, bei.
Auf Grund des global ansteigenden Wasserbedarfs und den sinkenden zur Verfügung stehenden Süßwasserressourcen, besteht ein weltweites Interesse an effizienten Entsalzungsverfahren. Süßwasser, das vom Meer oder von geogenen Salzvorkommen beeinflusst wird, weist u. a. oft erhöhte Konzentrationen an Natrium und Chlorid auf. Hohe Nitrat- und Sulfatkonzentrationen resultieren hingegen meist aus landwirtschaftlichem Einfluss. Eine vollständige Entsalzung der Wässer ist nicht sinnvoll, sondern lediglich nur eine Verminderung der monovalenten Ionen nötig. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines energieeffizienten, selektiven, membranbasierten Entsalzungsverfahrens zur gezielten Entfernung monovalenter Ionen aus salzhaltigem Grund- und Oberflächenwasser sowie die Überprüfung potenzieller Anwendungen und Einsatzgebiete unter Berücksichtigung wasserchemischer, ökonomischer und ökologischer Aspekte. Es werden selektive Membranen für einen spezifischen Rückhalt monovalenter Salze entwickelt und in neukonstruierten Modulen für den Einsatz in einem elektrochemischen Verfahren in Labor- und Pilotanlagen verbaut. Mit den Anlagen werden Untersuchungen zur Identifikation optimierter Prozess- und Anlagenparameter in Abhängigkeit unterschiedlicher Rohwasserqualitäten und Aufbereitungsziele durchgeführt. Es wird geprüft, welche resultierenden Effekte und Herausforderungen bei der Grundwasseranreicherung und der Trinkwasseraufbereitung gegeben sind. Die entwickelte Technologie wird anhand einer ganzheitlichen ökonomisch-ökologischen Nachhaltigkeitsbewertung internationalen Zielgrößen wie den Nachhaltigkeitszielen gegenübergestellt, um Handlungsempfehlungen abzuleiten. Durch die Wahl der Partner aus Industrie, Wissenschaft und Praxis ist das Konsortium in der Lage, Anlagen zu bauen und die innovative Technologie bei Praxispartnern vor Ort zu testen und zu bewerten. Die Ergebnisse tragen somit maßgeblich zur Sicherung der Wasserressourcen, national wie international, bei.
Auf Grund des global ansteigenden Wasserbedarfs und den sinkenden zur Verfügung stehenden Süßwasserressourcen, besteht ein weltweites Interesse an effizienten Entsalzungsverfahren. Süßwasser, das vom Meer oder von geogenen Salzvorkommen beeinflusst wird, weist u. a. oft erhöhte Konzentrationen an Natrium und Chlorid auf. Hohe Nitrat- und Sulfatkonzentrationen resultieren hingegen meist aus landwirtschaftlichem Einfluss. Eine vollständige Entsalzung der Wässer ist nicht sinnvoll, sondern lediglich nur eine Verminderung der monovalenten Ionen nötig. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines energieeffizienten, selektiven, membranbasierten Entsalzungsverfahrens zur gezielten Entfernung monovalenter Ionen aus salzhaltigem Grund- und Oberflächenwasser sowie die Überprüfung potenzieller Anwendungen und Einsatzgebiete unter Berücksichtigung wasserchemischer, ökonomischer und ökologischer Aspekte. Es werden selektive Membranen für einen spezifischen Rückhalt monovalenter Salze entwickelt und in neukonstruierten Modulen für den Einsatz in einem elektrochemischen Verfahren in Labor- und Pilotanlagen verbaut. Mit den Anlagen werden Untersuchungen zur Identifikation optimierter Prozess- und Anlagenparameter in Abhängigkeit unterschiedlicher Rohwasserqualitäten und Aufbereitungsziele durchgeführt. Es wird geprüft, welche resultierenden Effekte und Herausforderungen bei der Grundwasseranreicherung und der Trinkwasseraufbereitung gegeben sind. Die entwickelte Technologie wird anhand einer ganzheitlichen ökonomisch-ökologischen Nachhaltigkeitsbewertung internationalen Zielgrößen wie den Nachhaltigkeitszielen gegenübergestellt, um Handlungsempfehlungen abzuleiten. Durch die Wahl der Partner aus Industrie, Wissenschaft und Praxis ist das Konsortium in der Lage, Anlagen zu bauen und die innovative Technologie bei Praxispartnern vor Ort zu testen und zu bewerten. Die Ergebnisse tragen somit maßgeblich zur Sicherung der Wasserressourcen, national wie international, bei.
Auf Grund des global ansteigenden Wasserbedarfs und den sinkenden zur Verfügung stehenden Süßwasserressourcen, besteht ein weltweites Interesse an effizienten Entsalzungsverfahren. Süßwasser, das vom Meer oder von geogenen Salzvorkommen beeinflusst wird, weist u. a. oft erhöhte Konzentrationen an Natrium und Chlorid auf. Hohe Nitrat- und Sulfatkonzentrationen resultieren hingegen meist aus landwirtschaftlichem Einfluss. Eine vollständige Entsalzung der Wässer ist nicht sinnvoll, sondern lediglich nur eine Verminderung der monovalenten Ionen nötig. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines energieeffizienten, selektiven, membranbasierten Entsalzungsverfahrens zur gezielten Entfernung monovalenter Ionen aus salzhaltigem Grund- und Oberflächenwasser sowie die Überprüfung potenzieller Anwendungen und Einsatzgebiete unter Berücksichtigung wasserchemischer, ökonomischer und ökologischer Aspekte. Es werden selektive Membranen für einen spezifischen Rückhalt monovalenter Salze entwickelt und in neukonstruierten Modulen für den Einsatz in einem elektrochemischen Verfahren in Labor- und Pilotanlagen verbaut. Mit den Anlagen werden Untersuchungen zur Identifikation optimierter Prozess- und Anlagenparameter in Abhängigkeit unterschiedlicher Rohwasserqualitäten und Aufbereitungsziele durchgeführt. Es wird geprüft, welche resultierenden Effekte und Herausforderungen bei der Grundwasseranreicherung und der Trinkwasseraufbereitung gegeben sind. Die entwickelte Technologie wird anhand einer ganzheitlichen ökonomisch-ökologischen Nachhaltigkeitsbewertung internationalen Zielgrößen wie den Nachhaltigkeitszielen gegenübergestellt, um Handlungsempfehlungen abzuleiten. Durch die Wahl der Partner aus Industrie, Wissenschaft und Praxis ist das Konsortium in der Lage, Anlagen zu bauen und die innovative Technologie bei Praxispartnern vor Ort zu testen und zu bewerten. Die Ergebnisse tragen somit maßgeblich zur Sicherung der Wasserressourcen, national wie international, bei.
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| Bund | 27 |
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| Förderprogramm | 27 |
| License | Count |
|---|---|
| offen | 27 |
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| Deutsch | 20 |
| Englisch | 12 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 10 |
| Webseite | 17 |
| Topic | Count |
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| Boden | 26 |
| Lebewesen und Lebensräume | 26 |
| Luft | 23 |
| Mensch und Umwelt | 27 |
| Wasser | 27 |
| Weitere | 27 |