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NUR: Integration von ökosystembasierten Ansätzen in das Hochwasserrisikomanagement zur angepassten und nachhaltigen Stadtentwicklung in Zentralvietnam, Teilprojekt 3: Dateninfrastruktur und räumliche Analysen

Wechselbeziehung zwischen Rheinwasser und Grundwasser (quantitativ)

Zweck und Ziel: Die instationaeren Austauschvorgaenge zwischen Oberflaechengewaesser und Grundwasser spielen fuer kuerzere Bilanzzeitraeume eine wesentliche Rolle. Die Einspeisungsmengen von Flusswasser in das Grundwasser (Uferfiltrat bzw positive Uferspeicherung) bei Hochwasser im Fluss bewirken einen Anstieg der Grundwasseroberflaeche. Aus Grundwasserstandsbeobachtungen laesst sich die Grundwasservorratsaenderung fuer einen den Messstellen zugehoerigen Bereich berechnen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Ermittlung der Groesse der Austauschmengen fuer einzelne Hochwasserwellen und fuer laengere Hochwasserzeiten sowie der Dauer der Speicherung dieser Grundwasservorraete. Das Forschungsvorhaben steht im Zusammenhang mit den Untersuchungen zur 'Prognose ueber die Niedrigwasserentwicklung im Rhein' (Forschungsvorhaben Nr. 99 -U). Ausfuehrung: Seit 1981 werden an je 5 Grundwassermessstellen in den Messprofilen Hartheim und Neuenburg im suedlichen Breisgau und an 6 Grundwassermessstellen im Messprofil Urmitz im Neuwieder Becken kontinuierlich Grundwasserstandsaufzeichnungen vorgenommen. Aus diesen Daten wurden repraesentative Hochwasserereignisse zur Berechnung der Grundwasservorratsaenderung ausgewaehlt. Die Berechnungen erfolgten mit einem eigens fuer diesen Zweck erstellten Modellsystem. Im Jahre 1988 konnten taegliche Grundwasserstandsaufzeichnungen an 12 Messstellen noerdlich von Bonn ueber den Zeitraum 1955 bi 1988 vom Landesamt fuer Wasser und Abfall, NRW, uebernommen werden. Diese Daten wurden entsprechend den bisherigen Bearbeitungen im Neuwieder Becken ausgewertet. Ergebnisse: Die Austauschmengen koennen kurzzeitig sehr grosse Werte annehm

Wasserstoffspeicher

Neue billige, leichte Wasserstoffspeicher. Zur Zeit Untersuchung von Mg- und Ca-Verbindungen. Ca-Mg-Ni-System.

Konzeption Heizen und Kühlen beim Projekt 'ARCHICUBUS' (Experimentalbau des Fachbereichs)

Für das Gebäude ist ein innovatives Heiz- und Kühlsystem vorgesehen, welches drei verschiedene Methoden des Heizen und Kühlens für Niedrigstenergiehäuser unter Berücksichtigung der thermischen Gebäudespeichermasse vorsieht. Zum Zwecke einer langjährigen experimentellen Forschungsarbeit werden die Bodenplatten der Gebäude mit Fundamentspeichern ausgestattet. Die Speicher sollen zur Zwischenlagerung von Heiz- oder Kühlenergie für die Gebäude verwendet werden. Die Gebäude werden über eine Wärmepumpenanlage in Verbindung mit Temperierungssystemen betrieben. Die Gebäude werden mit unterschiedlichen Temperierungssystemen ausgestattet. Es werden sowohl Bauteilaktivierungen, Deckensegel als auch luftgeführte Systeme untergebracht. Ein Vergleich der unterschiedlichen Konzeptionen bei Niedrigstenergiebauweise wird dadurch ermöglicht. Das Langzeitverhalten der Fundamentspeicher kann über einzubauende Temperatursonden im Erdreich und in den Bodenplatten beobachtet werden. Vorgesehen ist ferner, mit Grabenkollektoren und Erdsonden später die oberflächennahe Geothermie als Wärmesenke- bzw. Wärmequelle zu nutzen. So kann das Gebäude bei geringstem Energieaufwand geheizt und in den Sommermonaten teilgekühlt werden. Die Meßergebnisse werden den Kooperationspartnern und Sponsoren für die Entwicklung eigener weiterführender Anlagensysteme zur Verfügung gestellt.

Energiespeicherung durch Latentwärmespeicher - Wärmeuebertragung an schmelzende und erstarrende Substanzen

Da bisher keine Methode existiert, elektrische Energie in groesseren Mengen wirtschaftlich zu speichern, gewinnt die Speicherung von Waermeenergie zunehmend an Bedeutung. Es ist bekannt, dass eutektische Mischungen aus Fluoriden der Alkali- und Erdalkalimetalle (LIF, NaC18 NaF, MgCl2), aber z.B. auch reines Lithiumfluorid extrem hohe Schmelzwaermen besitzen. Fluoridmischungen koennen 2- bis 3-mal soviel Waerme speichern wie bisher benutzte Waermespeichermaterialien. Im Vergleich zum Bleiakkumulator weisen sie eine etwa dreissigmal hoehere Energiespeicherkapazitaet auf. Es besteht das Problem der Erreichung hoher Waermestromdichten zum Zweck einer moeglichst intensiven Waermezufuhr bzw. Waermeabgabe an der Oberflaeche.

Menge, Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz im Unterboden

Das Wissen über die Menge, Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz in Böden der gemäßigten Breiten beschränkt sich bis auf wenige Ausnahmen auf die Oberböden (A-Horizonte und Auflagen). Hier finden sich die höchsten Konzentrationen der organischen Substanz. Jüngere Inventurarbeiten haben nun gezeigt, dass auch im Unterboden (B- und Cv-Horizonte) beträchtliche Mengen an organischer Substanz, allerdings in niedrigen Konzentrationen vorliegen. Ziel des geplanten Vorhabens ist es, (1) die Menge der organischen Substanz im Unterboden zu erfassen, (2) ihre Zusammensetzung und Herkunft zu bestimmen und (3) ihre Umsetzbarkeit zu erfassen. Daraus sollen Rückschlüsse auf die Stabilisierungsmechanismen der organischen Substanz im Unterboden gezogen werden. Nach einer Inventur der Bodenprofile an den SPP-Standorten (C-Gehalte, 14C-Alter) erfolgt die Erfassung der Zusammensetzung der organischen Substanz mittels Festkörper-13C-NMR-Spektroskopie. Die Zusammensetzung der Lipid-, Polysaccharid- und Ligninfraktion soll Hinweise auf die Herkunft der stabilisierten organischen Substanz differenziert nach oberirdischen, unterirdischen Pflanzenrückständen und mikrobiellen Resten geben. Abbauversuche unter kontrollierten Bedingungen im Labor und die Erfassung des 14C-Alters des freigesetzten CO2 sollen Aufschluß über die Umsetzbarkeit des 'jungen' und 'alten' C im Unterboden geben. Dabei werden jeweils die Profile über die gesamte Entwicklungstiefe betrachtet, um die Unterbodenhorizonte in Bezug zu den Oberböden und zu den Ergebnissen anderer AG im SPP zu setzen. Darauf aufbauend können dann in den nächsten Phasen des SPP die Eigenschaften der organischen Substanz im Unterboden und die Regulation der C-Umsetzungen im Unterboden untersucht werden.

Quantifizierung der Gerinnespeicherung von kohäsiven Feinpartikeln im Verlauf von künstlich erzeugten Hochwasserwellen und stationären Trockenwetterrandbedingungen

Kohäsive Feinpartikel sind potentielle Träger von anorganischen und organischen Schadstoffen und spielen eine entscheidende Rolle beim Stoffaustausch zwischen Wasserkörper, Schwebstoff und Sediment. Daher ist die Kenntnis der Depositionsdynamik dieser Feinpartikel ein wichtiger Baustein für ein effizientes Sedimentmanagement und eine physikalisch basierte Modellierung des Schadstofftransfers in Fließgewässern. Es überrascht jedoch, dass sich Untersuchungen zum Transport- und Sedimentationsverhalten kohäsiver Partikel bisher häufig auf definierte stationäre Randbedingungen im Labormaßstab und Trockenwetterbedingungen im Gelände konzentrieren. Weitgehend ungeklärt ist hingegen das Verhalten von Feinpartikeln und deren Speicherung im Gerinnebett während der dynamischen Phase von Hochwasserereignissen. Um die im Gerinne ablaufenden Prozesse weitgehend unabhängig von den Einzugsgebietsprozessen zu untersuchen hat sich in unserer Arbeitsgruppe seit nunmehr über 10 Jahren ein Ansatz mit künstlich generierten Hochwasserwellen bewährt. Es ist ein genereller Vorteil von solchen Geländeexperimenten, dass einzelne steuernde Größen ausgeschlossen oder gezielt kontrolliert werden können. Außerdem ist ein solcher Ansatz eine Voraussetzung, um die Aussagekraft experimentell gewonnener Laborergebnisse zur potentiell hohen Feinpartikel-Retention in Sand- und Kiessedimenten in einem natürlichen System zu validieren. Das übergeordnete Ziel des hier beantragten Projekts ist es, die Gerinnespeicherung kohäsiver Feinpartikel in einem natürlichen System bei variierenden hydrologisch-hydraulischen Randbedingungen zu quantifizieren. Zu diesem Zweck werden standardisierte Feinpartikeltracer (Kaolinit, d50 = 2ìm, ñ = 2,6 g/cm3) sowohl im Verlauf von künstlich generierten Hochwasserwellen als auch während stationärer Trockenwetterbedingungen in einen Mittelgebirgsbach induziert. Die Retention und Sedimentation der eingegebenen Feinpartikel wird gezielt in kleinräumig variierenden Flussbettstrukturen (Hyporheische Zone, Stillwasserzonen, Gerinnerandbereiche, Riffle-Pool-Sequenzen) und für einzelne Gerinneabschnitte erfasst. Die Quantifizierung der Speicherung erfolgt mit bereits erprobten Resuspensionstechniken und Sedimentfallen sowie einer in Pilotprojekten erfolgreich getesteten Tracerfrachtberechnung mittels FTIR-DRIFT Spektroskopie an mehreren Basismessstationen im Längsprofil. In einem interdisziplinären Forscherverbund mit Kollegen des 'Hydraulics Laboratory' und des 'Dept. of Civil Engineering' der Universität Gent, der 'Ecosystem Management Research Group, Dept. of Biology' der Universität Antwerpen und des 'Dept. of Hydrology and Hydraulic Engineering' der Freien Universität Brüssel in Belgien wird darüber hinaus die Transport- und Speicherdynamik der Feinpartikel mit der neuen, FORTRAN basierten Modellierungssoftware 'FEMME' ('Flexible Environment for Mathematically Modelling the Environment') abgebildet.

Reallabor: Demonstration von Sektorkopplung - Wind-Elektrolyse für Erzeugung, Speicherung und Transport von grünem Wasserstoff, Teilvorhaben: Begleitende Forschung an Regulatorik, Vermarktung und Wirtschaftlichkeit (VE)

Vertical partitioning and sources of CO2 production and effects of temperature, oxygen and root location within the soil profile on C turnover

For surface soils, the mechanisms controlling soil organic C turnover have been thoroughly investigated. The database on subsoil C dynamics, however, is scarce, although greater than 50 percent of SOC stocks are stored in deeper soil horizons. The transfer of results obtained from surface soil studies to deeper soil horizons is limited, because soil organic matter (SOM) in deeper soil layers is exposed to contrasting environmental conditions (e.g. more constant temperature and moisture regime, higher CO2 and lower O2 concentrations, increasing N and P limitation to C mineralization with soil depth) and differs in composition compared to SOM of the surface layer, which in turn entails differences in its decomposition. For a quantitative analysis of subsoil SOC dynamics, it is necessary to trace the origins of the soil organic compounds and the pathways of their transformations. Since SOM is composed of various C pools which turn over on different time scales, from hours to millennia, bulk measurements do not reflect the response of specific pools to both transient and long-term change and may significantly underestimate CO2 fluxes. More detailed information can be gained from the fractionation of subsoil SOM into different functional pools in combination with the use of stable and radioactive isotopes. Additionally, soil-respired CO2 isotopic signatures can be used to understand the role of environmental factors on the rate of SOM decomposition and the magnitude and source of CO2 fluxes. The aims of this study are to (i) determine CO2 production and subsoil C mineralization in situ, (ii) investigate the vertical distribution and origin of CO2 in the soil profile using 14CO2 and 13CO2 analyses in the Grinderwald, and to (iii) determine the effect of environmental controls (temperature, oxygen) on subsoil C turnover. We hypothesize that in-situ CO2 production in subsoils is mainly controlled by root distribution and activity and that CO2 produced in deeper soil depth derives to a large part from the mineralization of fresh root derived C inputs. Further, we hypothesize that a large part of the subsoil C is potentially degradable, but is mineralized slower compared with the surface soil due to possible temperature or oxygen limitation.

Reallabor: Demonstration von Sektorkopplung - Wind-Elektrolyse für Erzeugung, Speicherung und Transport von grünem Wasserstoff, Teilvorhaben: Konzeptionierung und Testbetrieb einer direktgekoppelten Großelektrolyse

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