Das hier beantragte Wissenstransferprojekt soll die Anwendungsreife von Ergebnissen aus zwei früheren DFG-Forschungsprojekten zu Wasserbewirtschaftungsfragen in semi-ariden Regionen erreichen. Der Fokus wird dabei auf der Methodenübertragung und Ergebnisnutzung für die Entwicklung eines Dürrevorhersage und -managementsystems liegen. Die hier erwähnten DFG-Projekte sind: Sediment Export from large Semi-Arid catchments: Measurements and Modelling), und Generation, transport and retention of water and suspended sediments in large dryland catchments: Monitoring and integrated modelling of fluxes and connectivity phenomena. Der Praxispartner ist die Behörde für Meteorologie und Wasserressourcen des Bundesstaates Ceara (FUNCEME) im Nordosten Brasiliens. Diese führt auch Prognosen für das wasserwirtschaftliche System Cearas durch, welches durch eine stark negative klimatische Wasserbilanz und mehrere tausend (meist kleine) Stauseen gekennzeichnet ist. Es ist vorgesehen, das existierende Wasserbewirtschaftungssystem SIGA von FUNCEME mit dem prozessbasierten hydrologischen Modell WASA-SED zu kombinieren. Das WASA-SED Modell, welches aus den o.g. DFG-Projekten stammt, wurde spezifisch für semiaride meso-skalige Einzugsgebiete konzipiert und entwickelt. Damit werden die charakteristischen hydrologischen Prozesse, einschließlich von Transport- und Konnektivitätsphänomenen im Gewässernetz und den Stauseen simuliert. Die geplanten Arbeiten sind in verschiedene Ebenen gruppiert: (1) Integration des WASA-SED-Modells mit dem SIGA-System um den regionalen Wasserbehörden und Flussgebietskommissionen eine direkte Information über aktuelle und prognostizierte Werte der Stauseefüllungen, Abflüsse an bestimmten Flussabschnitten und anderen Wasserressourcen zu ermöglichen; (2) Effiziente Kommunikation der Ergebnisse mit verschiedenen Stakeholdergruppen und Möglichkeit zur Weiternutzung der Ergebnisse. (3) Anwendung von WASA-SED im Vorhersagemodus, d.h. Nutzung von kurzfristigen und saisonalen meteorologischen Vorhersagen zur Prognose der Wasserverfügbarkeit bei unterschiedlichen Vorhersagezeiträumen. (4) Nutzung der prozess-basierten Struktur von WASA-SED um Effekte sich ändernder Randbedingungen zu untersuchen, besonders bzgl. des dichten Netzes aus Stauanlagen. Wir erwarten aus dem Projekt auch Impulse für neue Forschungsfragen als Ergebnis der Integration der Wasserbewirtschaftung und -infrastruktur in das Modellsystems, so evtl.: (1) Untersuchung und Modellierung der saisonalen Dynamik der Verluste in semiariden Flusssystemen und Ableitung eines dafür geeigneten Abflussroutingansatzes; (2) Quantifizierung und Modellierung der hydro-sedimentologischen Konnektivität in komplexen, vom Menschen stark geformten Hydrosystemen, einschließlich der Effekte des dichten Stauseenetzes, Wasserüberleitungen und der teilweise künstlich verbundenen Teileinzugsgebiete.
Rasterkarten zum Wasserhaushalt, bzw. zur Grundwasserneubildung, berechnet mit mGROWA (FZ Jülich, 2021). Im Webdienst werden 6 Layer gezeigt: - Grundwasserneubildung des hydrolog. Jahres 2019 [Min] - Grundwasserneubildung des hydrolog. Jahres 2018 [Max] - mittlere jährliche Grundwasserneubildung (1991 - 2019) - mittlere jährliche Grundwasserneubildung (1961 - 1990, Klimareferenzperiode) - Direktabfluss Mittlere Rate (1991-2020) - Tatsächliche Verdunstung Mittlere Rate (1991-2020) Beschreibung: Etwa ein Viertel des Niederschlags gelangt in Hamburg über den Boden ins Grundwasser und bildet damit einen erheblichen Anteil unserer täglichen Wasserversorgung und ist ökologische Grundlage für die Vegetation und den Boden als Wasserspeicher. Der übrige Niederschlag wird im Wesentlichen durch Verdunstung und Abfluss ins Sielnetz und in die Gewässer bestimmt. Aktuell werden pro Jahr bei durchschnittlichen Niederschlägen (etwa 770 mm pro Jahr) 136 Millionen Kubikmeter (m³) Grundwasser auf Hamburger Gebiet neu gebildet. Im Trockenjahr 2019 waren es nur 75 Millionen m³, was sich in stark fallenden Grundwasserständen, fehlender Bodenfeuchte und sich durch teilweises Trockenfallen von Gewässern für Tier und Pflanze als Trockenstress auswirkte. Auf die Beobachtung der Entwicklung der Grundwasserneubildung kommt deshalb in Zeiten des Klimawandels besondere Bedeutung zu. Neben klimatischen Veränderungen ist deshalb ein ausgefeiltes Flächen- und Ressourcenmanagement nötig, um der wachsenden urbanen Versiegelung und dem steigenden Wasserverbrauch mit Strategien und Maßnahmen hin zu einem naturnahen Wasserhaushalt entgegenzuwirken. Datengrundlagen und Methodik: Grundlage für die Berechnung und Darstellung von flächen- und zeitlich differenzierten Rasterkarten der verschiedenen Wasserhaushaltskomponenten ist das rasterzellenbasierte Wasserhaushaltsmodell mGROWA des Forschungszentrums Jülich. In mGROWA wurden zunächst standortbezogen auf Basis der jeweiligen Niederschlagsmengen und klimatischen Einflussgrößen die tatsächliche Verdunstung und der Gesamtabfluss in täglicher Auflösung mit einer Zellengröße von 25 x 25 m berechnet. Die berechneten Tageswerte wurden nachfolgend auf langjährig, jährliche und monatliche Zeiträume aggregiert. Danach wurde der Gesamtabfluss auf Basis der Standorteigenschaften in verschiedene Abflusskomponenten aufgeteilt. In der Datenzusammenstellung sind neben den Rasterkarten der potentiellen und tatsächlichen Verdunstung, des Gesamtabflusses und der Standorteigenschaften die Rasterkarten der Abflusskomponenten urbaner Direktabfluss, Sickerwasserrate, Zwischen- und Dränageabflüsse, sowie letztendlich die Grundwasserneubildung enthalten. Im Folgenden dargestellt werden auszugsweise die Karten zum mittleren langjährigen Mittel 1961-1990 (Klimareferenzperiode) und 1991-2019, das Nassjahr 2018 mit sehr großer und das Trockenjahr 2019 mit sehr geringer Neubildung. Die Daten werden als WMS-Darstellungsdienst und als WFS-Downloaddienst bereitgestellt.
Ein Wasserwerk ist eine Anlage zur Aufbereitung und Bereitstellung von Trinkwasser. Wesentliche Bestandteile sind unter anderem Filter, Pumpen und oft auch ein Wasserspeicher bzw. Wasserbehälter. Dazu kommen Hochbehälter, Armaturen und Schalträume, wo die Verteilung des Trinkwassers in das Leitungsnetz gesteuert und überwacht wird. In größeren Wasserwerken werden auch Laboratorien betrieben, die die chemische und biologische Zusammensetzung des Wassers kontrollieren. Erfolgt die Wasserversorgung aus dem Grundwasser, befindet sich das Wasserwerk meist direkt bei den Brunnen. Das Gelände ist meist als Zone I eines Trinkwasserschutzgebietes ausgewiesen. Auch Grundwasseranreicherungsanlagen, welche zusätzliches Fließwasser aus Flüssen oder Bächen in das Grundwasser einbringen (Uferfiltration), sind häufig Bestandteil eines solchen Wasserwerks.
Aims: Floods in small and medium-sized river catchments have often been a focus of attention in the past. In contrast to large rivers like the Rhine, the Elbe or the Danube, discharge can increase very rapidly in such catchments; we are thus confronted with a high damage potential combined with almost no time for advance warning. Since the heavy precipitation events causing such floods are often spatially very limited, they are difficult to forecast; long-term provision is therefore an important task, which makes it necessary to identify vulnerable regions and to develop prevention measures. For that purpose, one needs to know how the frequency and the intensity of floods will develop in the future, especially in the near future, i.e. the next few decades. Besides providing such prognoses, an important goal of this project was also to quantify their uncertainty. Method: These questions were studied by a team of meteorologists and hydrologists from KIT and GFZ. They simulated the natural chain 'large-scale weather - regional precipitation - catchment discharge' by a model chain 'global climate model (GCM) - regional climate model (RCM) - hydrological model (HM)'. As a novel feature, we performed so-called ensemble simulations in order to estimate the range of possible results, i.e. the uncertainty: we used two GCMs with different realizations, two RCMs and three HMs. The ensemble method, which is quite standard in physics, engineering and recently also in weather forecasting has hitherto rarely been used in regional climate modeling due to the very high computational demands. In our study, the demand was even higher due to the high spatial resolution (7 km by 7 km) we used; presently, regional studies use considerably larger grid boxes of about 100 km2. However, our study shows that a high resolution is necessary for a realistic simulation of the small-scale rainfall patterns and intensities. This combination of high resolution and an ensemble using results from global, regional and hydrological models is unique. Results: By way of example, we considered the low-mountain range rivers Mulde and Ruhr and the more alpine Ammer river in this study, all of which had severe flood events in the past. Our study confirms that heavy precipitation events will occur more frequently in the future. Does this also entail an increased flood risk? Our results indicate that in any case, the risk will not decrease. However, each catchment reacts differently, and different models may produce different precipitation and runoff regimes, emphasizing the need of ensemble studies. A statistically significant increase of floods is expected for the river Ruhr in winter and in summer. For the river Mulde, we observe a slight increase of floods during summer and autumn, and for the river Ammer a slight decrease in summer and a slight increase in winter.
Arsenic-contaminated ground- and drinking water is a global environmental problem with about 1-2Prozent of the world's population being affected. The upper drinking water limit for arsenic (10 Micro g/l) recommended by the WHO is often exceeded, even in industrial nations in Europe and the USA. Chronic intake of arsenic causes severe health problems like skin diseases (e.g. blackfoot disease) and cancer. In addition to drinking water, seafood and rice are the main reservoirs for arsenic uptake. Arsenic is oftentimes of geogenic origin and in the environment it is mainly bound to iron(III) minerals. Iron(III)-reducing bacteria are able to dissolve these iron minerals and therefore release the arsenic to the environment. In turn, iron(II)-oxidizing bacteria have the potential to co-precipitate or sorb arsenic during iron(II)- oxidation at neutral pH followed by iron(III) mineral precipitation. This process may reduce arsenic concentrations in the environment drastically, lowering the potential risk for humans dramatically.The main goal of this study therefore is to quantify, identify and isolate anaerobic and aerobic Fe(II)-oxidizing microorganisms in arsenic-containing paddy soil. The co-precipitation and thus removal of arsenic by iron mineral producing bacteria will be determined in batch and microcosm experiments. Finally the influence of rhizosphere redox status on microbial Fe oxidation and arsenic uptake into rice plants will be evaluated in microcosm experiments. The long-term goal of this research is to better understand arsenic-co-precipitation and thus arsenic-immobilization by iron(II)-oxidizing bacteria in rice paddy soil. Potentially these results can lead to an improvement of living conditions in affected countries, e.g. in China or Bangladesh.
Phosphorus (P) is an essential nutrient for living organisms. Whereas agriculture avoids P-limitation of primary production through continuous application of P fertilizers, forest ecosystems have developed highly efficient strategies to adapt to low P supply. A main hypothesis of the SPP 1685 is that P depletion of soils drives forest ecosystems from P acquiring system (efficient mobilization of P from the mineral phase) to P recycling systems (highly efficient cycling of P). Regarding P fluxes in soils and from soil to streamwater, this leads to the assumption that recycling systems may have developed strategies to minimize P losses. Further, not only the quantity but also the chemistry (P forms) of transported or accumulated P will differ between the ecosystems. In our project, we will therefore experimentally test the relevance of the two contrasting hypothetical nutritional strategies for P transport processes through the soil and into streamwater. As transport processes will occur especially during heavy rainfall events, when preferential flow pathways (PFPs) are connected, we will focus on identifying those subsurface transport paths. The chemical P fractionation in PFPs will be analyzed to draw conclusions on P accumulation and transport mechanism in soils differing in their availability of mineral bound P (SPP core sites). The second approach is an intensive streamwater monitoring to detect P losses from soil to water. The understanding of P transport processes and P fluxes at small catchment scale is fundamental for estimating the P exports of forest soils into streams. With a hydrological model we will simulate soil water fluxes and estimate P export fluxes for the different ecosystems based on these simulations.
Fließwege in Böden und porösen Gesteinen sind durch eine starke Heterogenität auf allen Skalen geprägt. Diese Heterogenität beeinflusst sowohl die Eigenschaften des Bodens oder Gesteins als Wasserspeicher als auch den Transport gelöster Stoffe. Obwohl kaum Zweifel an der Bedeutung dieser mehrskaligen Heterogenität bestehen, ist deren Integration in numerische Boden- und Grundwasserfließmodelle nach wie vor eine große Herausforderung. Einerseits ist die räumliche Struktur der Heterogenität und ihrer Abhängigkeit von den Boden- und Gesteinseigenschaften noch immer nicht hinreichend genau bekannt, und andererseits würde eine Abdeckung eines ausreichend großen Skalenbereichs den numerischen Aufwand stark erhöhen. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Idee, statistische Eigenschaften von Fließmustern aus Prinzipien der Optimalität abzuleiten, zumindest für zwei natürliche System als tragfähig erwiesen, und zwar für Flussnetzwerke an der Erdoberfläche und für den Blutkreislauf. Vor einiger Zeit wurde vom Antragsteller ein theoretisches Konzept entwickelt, um eine optimale räumliche Verteilung von Porosität und hydraulischer Leitfähigkeit im Sinne einer Minimierung der Energiedissipation abzuleiten. Allerdings ist die Forschung diesbezüglich noch immer auf dem Niveau eines theoretischen Konzepts, welches im Wesentlichen auf Relationen zwischen Porosität, Leitfähigkeit und Fließrate (Darcy-Geschwindigkeit) beschränkt ist. Die Validierung des theoretischen Konzepts, seine Weiterentwicklung für die Anwendung auf realistische Szenarien und die Überführung in entsprechende 'lumped parameter' Modelle sind die Hauptziele des Forschungsvorhabens. Die Validierung wird sowohl auf Basis der statistischen Verteilung der Einzugsgebietsgrößen gegenüber Daten von mittleren Quellschüttungen als auch auf Basis von Schüttungskurven einzelner Quellen erfolgen. Die Erweiterungen bzw. Verallgemeinerungen des ursprünglichen generischen Modells werden horizontale und geneigte Aquifere in Boussinesq-Näherung und echte 3D Modelle umfassen. 'Lumped paramter' Modelle sind für alle Varianten geplant, um die Ansätze schließlich mit angemessenem numerischen Aufwand anwendbar zu machen.
Erarbeitung von Plänen und Arbeitsgrundlagen zur ordnungsgemäßen Bewirtschaftung von Talsperren, Speicherbecken, Seen und Fließgewässern 1. Ordnung mit einer Staueinrichtung.
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