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Ecosystem Engineering: Sediment entrainment and flocculation mediated by microbial produced extracellular polymeric substances (EPS)

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.

Erosionsabtragsflächen (WFS Dienst)

Darstellung von konkreten Flächen mit beobachteten Erosionsereignissen, die zu Bodenabtrag aus landwirtschaftlich genutzten Flächen mit Oberflächenabfluss und Sedimenttransport geführt haben. Die Flächen sind i.d.R. anhand von Schlaggrenzen oder Feldblöcken abgregrenzt und wurden zum Teil orientierend untersucht.

Erosionsabtragsflächen

Darstellung von konkreten Flächen mit beobachteten Erosionsereignissen, die zu Bodenabtrag aus landwirtschaftlich genutzten Flächen mit Oberflächenabfluss und Sedimenttransport geführt haben. Die Flächen sind i.d.R. anhand von Schlaggrenzen oder Feldblöcken abgregrenzt und wurden zum Teil orientierend untersucht.

Numerische Simulation von flussmorphologischen Prozessen und des Geschiebehaushaltes von Fluessen

Ein Fluss ist natuerlicherweise nicht im Gleichgewicht, was sich in morphologischen Veraenderungen wie Auflandungen oder Erosion an der Flusssohle und den Ufern aeussert. Die Problematik des Geschiebetransportes und der Sohlenveraenderungen haben sowohl fuer Katastrophenbekaempfung wie fuer Landschaftsschutz (naturnahe Flussverbauungen) grosse Bedeutung. Im vorliegenden Projekt wird ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das den Flusslauf mit Hilfe von Querprofilen sowie der Oberflaechenbeschaffenheit beschreibt und aufgrund eines Abflussregimes und eines Geschiebeeintrages eine Prognose der Sohlenveraenderungen und eine Abschaetzung der anfallenden Geschiebemengen erlaubt.

Sedimentbewegungen in der Deutschen Bucht

Zur Halbzeit eines BAW-Forschungsprojektes zum 'Aufbau von integrierten Modellsystemen zur Analyse der langfristigen Morphodynamik in der Deutschen Bucht' werden erste Ergebnisse sichtbar. Transportprozesse im Wandel der Zeitläufe: Wie werden sich die Watten und Vorländer der deutschen Nordseeküste anpassen, sollte in Folge des Klimawandels der Meeresspiegel steigen? Eine Antwort auf diese Frage ist nicht nur für die Sicherheit der Seedeiche bedeutsam, sondern auch für die Zufahrten zu den Seehäfen. Einerseits beeinflusst das Flachwasser im Ästuarbereich maßgebend das Tide- und Sedimentregime in den Tideflüssen und hat somit Auswirkungen auf die zukünftige Unterhaltung der Seehafenzufahrten. Zum anderen hat sich gezeigt, dass in einer Betrachtung über Jahrzehnte hinweg die kleinräumigen Transportprozesse in der Deutschen Bucht und in den Außenbereichen der Ästuare auch durch die Transportprozesse, die in der gesamten Nordsee stattfinden, mitgeprägt werden. Die Dimension dieser weiträumigen Transportprozesse in der Nordsee wird in der Satellitenaufnahme der oberflächennahen Ausbreitung der Schwebstofffahnen aus den Ästuarmündungen deutlich (Bild 1). Allerdings entzieht sich dieses Phänomen noch weitgehend der fachwissenschaftlichen Betrachtung, denn über die tatsächlichen Transportprozesse in der Nordsee, zumal in der Deutschen Bucht, ist wenig bekannt: Es fehlen zum Beispiel grundlegende, flächendeckende Informationen über das anstehende Material an der Gewässersohle, über den Bodenaufbau oder über die relevanten Kräfte, die den Transport antreiben, wie Wind und Seegang. Und schließlich fehlen die geeigneten Werkzeuge, um die komplexen Transportprozesse berechnen zu können. BAW hat Federführung bei Forschungsprojekt: Im Rahmen eines im Wettbewerb ausgeschriebenen Forschungsschwerpunktes des Kuratoriums für Forschung im Küsteningenieurwesen (KFKI) konnte sich die BAW mit einem Forschungsantrag zum Thema 'Aufbau von integrierten Modellsystemen zur Analyse der langfristigen Morphodynamik in der deutschen Bucht (AUFMOD)' durchsetzen. An dem Projekt unter Federführung der BAW beteiligen sich weitere neun Kooperationspartner. Gestartet Ende 2009, läuft die Förderung zunächst bis 2012 (siehe: www.kfki.de/prj-aufmod/de).

EasyGSH-DB: Tidekennwerte der Bodenschubspannung (TDKB)

Motivation: Berechnung und graphische Darstellung verschiedener Tidekennwerte der effektiven Bodenschubspannung tragen, wie schon die Tidekennwerte des Wasserstandes und die Tidekennwerte der Strömung dazu bei, ausgewählte Aspekte der Gezeitendynamik getrennt für den Ebbe- und Flutstrom sowie für die gesamte Tide in Küstengewässern und Ästuarien herauszuarbeiten. So ermöglicht insbesondere die für den Flutstrom und den Ebbestrom getrennt durchgeführte Berechnung residuellen Bodenschubspannung einen Einblick in die Ungleichheit oder Asymmetrie der Tidephasen. Asymmetrien können eine der wesentlichen Ursachen für residuellen ebbe- oder flutorientierten Sedimenttransport sein. Eine genaue Beschreibung der Analysemodi befindet sich im BAWiki (http://wiki.baw.de/de/index.php/Tidekennwerte_der_Wirkung_der_effektiven_Bodenschubspannung). Metadaten: Dieser Metadatensatz gilt als Elterndatensatz für die spezifizierten Metdatensätze: - EasyGSH-DB_TDKB: Quantile der maximalen effektiven Bodenschubspannung (Flut|Ebbe) (1996-2015) - EasyGSH-DB_TDKB: x- und y-mittlere effektive Bodenschubspannung (Flut|Ebbe) (1996-2015) Literatur: - Hagen, R., et.al., (2019), Validierungsdokument - EasyGSH-DB - Teil: UnTRIM-SediMorph-Unk, doi: https://doi.org/10.18451/k2_easygsh_1 - Freund, J., et.al., (2020), Flächenhafte Analysen numerischer Simulationen aus EasyGSH-DB, doi: https://doi.org/10.18451/k2_easygsh_fans_2 - Hagen, R., Plüß, A., Ihde, R., Freund, J., Dreier, N., Nehlsen, E., Schrage, N., Fröhle, P., Kösters, F. (2021): An integrated marine data collection for the German Bight – Part 2: Tides, salinity, and waves (1996–2015). Earth System Science Data. https://doi.org/10.5194/essd-13-2573-2021 Für die einzelnen Jahre liegen Jahreskennblätter als Kurzfassung der Jahresvalidierung auf der EasyGSH-DB (www.easygsh-db.org) zur Verfügung. Zitat für diesen Datensatz (Daten DOI): Hagen, R., Plüß, A., Freund, J., Ihde, R., Kösters, F., Schrage, N., Dreier, N., Nehlsen, E., Fröhle, P. (2020): EasyGSH-DB: Themengebiet - Hydrodynamik. Bundesanstalt für Wasserbau. https://doi.org/10.48437/02.2020.K2.7000.0003 English Download: The data for download can be found under References ("Weitere Verweise"), where the data can be downloaded directly or via the web page redirection to the EasyGSH-DB portal.

Gefahrenhinweiskarte Sachsen (Atlas der Hochwassergefährdung in Sachsen)

Die Gefahrenhinweiskarte zeigt Überschwemmungsflächen und Intensitäten (Wassertiefe bzw. spezifischer Abfluss) bei Extremhochwasser für den Elbestrom und die Gewässer I. Ordnung in Sachsen in einem Überblicksmaßstab (1:100.000) mit einem Datenstand von 2004. Als Extremhochwasser (EHQ) wird dabei ein Ereignis, das bedeutend größer als HQ(100) ist, mindestens das höchste beobachtete Ereignis, im Allgemeinen jedoch HQ(300), angesetzt. Die Berechnung der Überschwemmungsflächen erfolgte ohne die Berücksichtigung der Wirkung vorhandener Hochwasserschutzeinrichtungen, wie Talsperren, Deiche oder Polder. Die dargestellten Intensitäten und Ausdehnungen stellen eine Umhüllende aller möglichen Überschwemmungsszenarien dar, d.h., nicht alle dargestellten Flächen sind bei einem einzelnen Ereignis betroffen. Dies gilt auch bei einem Versagen von Schutzeinrichtungen. Darüber hinaus werden die Grenzen der überschwemmten Flächen bei HQ(20) und HQ(100) dargestellt, ebenfalls ohne die Berücksichtigung der Wirkung von Hochwasserschutzeinrichtungen. Aufgrund der verschiedenen Überflutungs- und damit Schadensprozesse wurde zwischen flachen Talbereichen (geschiebefrei, meist nicht Lauf verändernde Überflutung) und Steilbereichen (dynamische Überschwemmung mit Geschiebetransport, Erosion und zu erwartender Laufveränderung) unterschieden. Da an den steilen Gewässerabschnitten die Überschwemmungstiefe nur indirekt eine Aussage über die Intensität und damit über die Gefährdung geben kann, wurde zusätzlich die Fließgeschwindigkeit auf den Vorländern ermittelt. Das Produkt aus Überschwemmungstiefe und Fließgeschwindigkeit wird als spezifischer Abfluss (Abfluss pro Meter Gewässerbreite) für EHQ dargestellt.

Biogeochemische Prozesse bei wiedereinsetzender Strömung und Sedimenttransport: Ein umfassendes Konzept für temporäre und permanente Fließgewässer, Biogeochemische Prozesse bei wiedereinsetzender Strömung und Sedimenttransport: Ein umfassendes Konzept für temporäre und permanente Fließgewässer

Ziel des Projektes ist es, die Mechanismen besser zu verstehen, welche die biogeochemischen Prozesse (Metabolismus und Stickstoffaufnahme der mikrobiellen Gemeinschaft) unter Einfluss verschiedener Wiedervernässungsszenarien (mit und ohne Sedimenttransport) beeinflussen. Die Wiederaufnahme der Strömung nach einer Austrocknungsphase wird als biogeochemisches ‚hot moment‘ betrachtet, bei dem hohe Metabolismusraten und Stickstoffaufnahmeraten zu erwarten sind. Die Raten werden weiterhin durch die Häufigkeit der vorherigen Austrocknungsphasen beeinflusst. Die Mechanismen, die diesen biogeochemischen Moment beeinflussen, sind bisher wenig untersucht. Bisher waren es vor allem Studien zu Einzelfaktoren in temporären Bach- und Flussökosystemen. Allerdings treten Austrocknung und Wiederaufnahme der Strömung zunehmend auch in permanenten Gewässerökosystemen auf. Die Oberflächenströmung impliziert oft Sedimenttransport (z.B. in Form von Strömungsrippeln), insbesondere in sandgeprägten Gewässern. Darüber hinaus kann die Wiederaufnahme der Strömung in verschiedenen Chronologien erfolgen, wie z.B. sofortiges Einsetzen der Strömung während Regenereignissen oder langsames Einsetzen der Strömung bei steigendem Grundwasserpegel. Auch die Konzentrationen von Nährstoffen und Kohlenstoff, die bei der Wiederaufnahme der Strömung ausgelaugt werden, können die biogeochemischen Prozesse beeinflussen. Wir schlagen in unserem Projekt ein neues allgemeines Konzept von "austrocknenden Fließgewässerhabitaten" für trockenfallende Fließgewässer verschiedener Klimazonen vor (mediterrane und gemäßigte Zone). Die hier vorgeschlagene Untersuchung werden zeigen, ob eine solche allgemeine und integrative Sichtweise angewendet werden kann. Die Wechselwirkungen von Strömungswiederaufnahme, Sedimenttransport, Nährstoff- und Kohlenstoffkonzentration und Austrocknungshäufigkeit werden in Mikrokosmenversuchen mit mikrobiellen Gemeinschaften aus temporären und permanenten Fließgewässern untersucht. Im Fokus unserer Untersuchungen stehen 1) der Kohlenstoffstofffluss, gemessen anhand der Änderungen der Sauerstoffkonzentration im Dunkeln und im Licht, 2) die Netto-Stickstoffaufnahme durch Zugabe des stabilen Isotops 15N (15NH4Cl) und 3) die Struktur und Architektur (Biofilm) der mikrobiellen Gemeinschaft. Die Ergebnisse werden zu einem besseren mechanistischen Verständnis der Kohlenstoff- und Stickstoffdynamik in Gewässerökosystemen beitragen, die zu starken Strömungsschwankungen und Austrocknung neigen. Die Ergebnisse werden es ermöglichen, die Wiederaufnahme der Strömung in die aktuellen Konzepte zur Steuerung von Prozessen in Fließgewässerökosystemen zu integrieren. Ein solcher konzeptioneller Rahmen ist der Schlüssel für das Management von Ökosystemen im Mittelmeerraum und in den gemäßigten Breiten, die aufgrund der zunehmenden Wasserentnahme und des Klimawandels regelmäßig trockenfallen.

Übertrittsstellen und Akkumulationen

Die markierten Standorte sind Schwerpunkte des Sedimenttransportes und der Bodenakkumulation bei Erosionsereignissen infolge von Starkniederschlägen. Übertrittsstellen befinden sich vor allem an Gewässern, Biotopen, baulichen Anlagen etc. Akkumulationsflächen sind häufig am Ende von Abflussbahnen lokaliosiert. Die Übertrittsstellen und Akkumulationsflächen wurden aktenkundig aufgenommen. Orientierende Untersuchungen wurden durchgeführt, um geeignete Maßnahmen zur Gefahrenabwehr, zur Schadensminimierung und Verhinderung vorzuschlagen. Diese Informationen dienen als Grundlage für die Umsetzung von Erosionsschutzmaßnahmen zur Gefahrenabwehr und zur Vermittlung von Vorsorgepflichten zur Vermeidung von Bodenerosionen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen.

Erosionsabtragsflächen (WMS Dienst)

Darstellung von konkreten Flächen mit beobachteten Erosionsereignissen, die zu Bodenabtrag aus landwirtschaftlich genutzten Flächen mit Oberflächenabfluss und Sedimenttransport geführt haben. Die Flächen sind i.d.R. anhand von Schlaggrenzen oder Feldblöcken abgregrenzt und wurden zum Teil orientierend untersucht.

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