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Ökologische Durchgängigkeit, Wanderkorridore einheimischer Fischarten in stauregulierten Bundeswasserstraßen

Nach derzeitigem Kenntnisstand nutzen wandernde Fischarten die Strömung eines Fließgewässers zur Orientierung. Sie schwimmen gegen die Strömung gerichtet flussaufwärts. Dabei verbrauchen sie Energie. Der Energieverbrauch steigt mit der stärke der Gegenströmung, die der Fisch im Querprofil des Flusses wählt. Es gibt Hinweise, dass der Wanderweg im Querschnitt eines Gewässers dabei nicht zufällig gewählt ist, sondern einen Wanderkorridor gewählt wird, in dem die Strömung zur Orientierung ausreicht aber möglichst geringe Energiekosten verursacht. Im Projekt soll untersucht werden, ob sich solch ein Wanderkorridor belegen und anhand welcher abiotischer Faktoren er sich beschreiben lässt. Dabei werden neben der Strömungsgeschwindigkeit und -richtung auch weitere Faktoren untersucht. Ziel des Projektes ist es, Wanderkorridore für unterschiedliche Arten modellhaft zu beschreiben und Schlüsselfaktoren für eine räumliche und zeitliche Abgrenzung von Wanderkorridoren zu ermitteln.

Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Modellierung der Strömungen mit freier Oberfläche gekoppelt mit der Umströmung von Schiffen in freifließenden Wasserstraßen

Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Modellierung der Strömungen mit freier Oberfläche gekoppelt mit der Umströmung von Schiffen in freifließenden Wasserstraßen. Aufgabenstellung und Ziel Im Rahmen dieses in Zusammenarbeit mit der Universität Trient (Dipartimento di Ingegneria Civile Ambientale e Meccanica, Università di Trento) bearbeiteten Projektes wurde ein neuartiges Verfahren für die Interaktion Schiff-Wasserstraße entwickelt und implementiert. Es sind prinzipiell zwei Anwendungsfälle anvisiert – die Beurteilung der schiffsinduzierten Belastungen an Ufern von Gewässern und die Dimensionierung von Wasserstraßen, insbesondere bei Engstellen und in freifließenden Flüssen. Das entwickelte Modell befindet sich aufgrund der erfassten physikalischen Phänomene und Skalen einerseits konzeptuell im mesoskaligen Bereich von geophysikalischen Modellen für ganzheitlich betrachtete Strömungen in Gewässern wie Flussstrecken – andererseits modelliert das Verfahren gleichzeitig die Interaktion zwischen den Strömungen und den navigierenden Schiffen. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Es handelt sich um eine Entwicklung, die die Möglichkeiten der Modellierung der fahrenden Schiffe in mesoskaliger Betrachtung (z. B. Flussstrecken mittlerer Länge) mit dem Zweck erweitern soll, die Methodik zur Befahrbarkeitsbewertung und Dimensionierung von Wasserstraßen zu verbessern und als Fernziel eine Kopplung an den Schiffsführungssimulator zu realisieren. Die verwendeten rechnerischen Netze sind wesentlich gröber als es in etablierten CFD-Verfahren des Schiffbaus üblich ist, wodurch das Verfahren rechnerisch wesentlich effizienter ist. Untersuchungsmethoden Das mathematische Modell nimmt als Ausgangspunkt das in BAW eingesetzte mathematische Verfahren nach Casulli und Stelling (2011), implementiert in UnTRIM2, d. h. ein semi-implizites Finite-Volumen-Schema zur gleichzeitigen Betrachtung der Strömungen mit und ohne freie Oberfläche, jedoch mit der Verwendung von generischen Flachwassergleichungen in der konservativen Form als grundlegendem System der partiellen Differentialgleichungen (PDE). Im Gegensatz zu UnTRIM2 wird für die Diskretisierung der Variablen ein kartesisches gestaffeltes Gitter verwendet, um die horizontale Bewegung der schwimmenden Körper möglichst genau und rechnerisch effizient zu erfassen. Durch die zusätzliche Verwendung der Subgrid-Technologie profitiert die Simulation von hochauflösenden digitalen Geländemodellen (DGM) und einer detailgetreuen Abbildung der Schiffsgeometrie (Tessellationen in STL-Dateien), um eine gitterunabhängige Erfassung des Wasservolumens über dem Boden und unter dem Schiff zu ermöglichen. Aufgrund der Struktur des Verfahrens kann die Dimensionalität des Modells mit der Anzahl der gewählten Zellebenen und -reihen automatisch von dreidimensional auf zweidimensional (vertikal oder horizontal integriert) bis hin zu eindimensional reduziert werden. Das Modell für die Strömungen mit freier Oberfläche und unter dem Schiff basiert auf einer nichtlinearen Tiefen- bzw. Volumenfunktion, wodurch die Überflutung und das Trockenfallen an Gewässerufern ein integraler Bestandteil des Verfahrens ist. Das Schiff wird im Modell als beweglicher starrer Körper mit sechs Freiheitsgraden betrachtet und seine Dynamik wird mittels eines Systems gewöhnlicher Differentialgleichungen (ODE) beschrieben. Die beiden Systeme für die externen Strömungen bzw. die Schiffsdynamik werden durch die Volumenfunktion gekoppelt. Die Veränderung der Volumenfunktion aufgrund der Schiffsbewegungen verstärkt die Nichtlinearität des zu lösenden Gleichungssystems, das gleichzeitig trockene Zellen an Ufern, nasse freie Oberflächenzellen und unter Druck stehende Zellen beinhaltet. Die Lösung dieses Systems wird durch die Verwendung eines verschachtelten iterativen Newton-Lösers erreicht. (Text gekürzt)

Verockerung geotextiler Filter in Deckwerken an Bundeswasserstraßen

Mittels Modellversuchen soll das Phänomen der Verockerung von geotextilen Filtern und Kornfiltern untersucht werden, um Abhängigkeiten der Verockerungsgefahr vom Grundwasserchemismus zu untersuchen und evtl. Konstruktionshinweise für verockerungsresistente Geotextilien oder entsprechende Bauweisen zu finden. Aufgabenstellung und Ziel Das Phänomen der Verockerung von geotextilen Filtern und Kornfiltern an Bundeswasserstraßen sollte mit Modellversuchen untersucht werden, um Abhängigkeiten der Verockerungsgefahr vom Grundwasserchemismus herauszuarbeiten und evtl. Konstruktionshinweise für verockerungsresistente Geotextilien bzw. Deckwerke zu finden. Parallel dazu erfolgte an Wasserstraßen mit bekannter Verockerungsgefahr eine Analyse der Milieubedingungen, u. a. die chemische und biologische Analyse des Grundwassers und der Filter. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Filter gewährleisten in ungedichteten Wasserstraßen einen Druckaustausch zwischen Grundwasser und Gewässer bei gleichzeitiger Verhinderung eines Bodenaustrages in die Deckschicht bzw. in das Gewässer bei hydraulischen Belastungen durch Strömungen und Wellen infolge Schiffsvorbeifahrt. Vor allem in tidebeeinflussten Wasserstraßen (Ems, Weser) gab es Probleme infolge Verockerung der geotextilen Filter, die zu einer deutlichen Verringerung der Durchlässigkeit der Filtervliese und dadurch zu Blasenbildung (Titelbild) und Behinderungen der Schifffahrt (Verwickeln in Schiffsschrauben) führten. Unter anderem deshalb erfolgte ein teilweiser Ersatzneubau der Deckwerke an der Tideems unter Einsatz von Kornfiltern. Die alternative Bauweise mit Kornfiltern ist deutlich unwirtschaftlicher als die Verlegung von geotextilen Filtern. Die Verbesserung des Verständnisses der Verockerung von Filtern liefert damit einen wichtigen Beitrag für die Weiterentwicklung dauerhafter Deckwerksbauweisen. Untersuchungsmethoden Die Bearbeitung des Themas erfolgte im Rahmen eines Forschungsverbundes der BAW mit der FH Münster und der RWTH Aachen. Dafür wurden folgende Arbeitsschritte abgearbeitet: - Literaturrecherche, Methodenentwicklung und Untersuchung von Insitu-Prozessen - Bestimmung und Qualifizierung der maßgeblichen Verockerungsparameter und Einflüsse - Planung der physikalischen Modellversuche - Versuche zur Entstehung und Wirkung von Verockerungsprodukten an geotextilen Filtern - Versuche zur Entstehung und Wirkung von Verockerungsprodukten an mineralischen Filtern - Untersuchung von Maßnahmen zur Reduktion der Verockerung - Erarbeitung einer Handlungsempfehlung

Untersuchung des Transfers von nordatlantischem Tiefenwasser durch den Südatlantik unter Verwendung des kompletten WOCE-Tracerdatensatzes

Der Südatlantik stellt für die Rolle des Nordatlantischen Tiefenwassers (NADW) in der globalen Tiefenwasserzirkulation ('convoy belt') eine Schlüsselregion dar. In dem Vorhaben soll der komplette südatlantische WOCE-Tracerdatensatz zusammen mit weiteren Daten (insbesondere US Programm SAVE) im Bereich des NADW analysiert werden mit dem Ziel, aufbauend auf dem vorliegenden Wissen die Wege und Raten des NADW vom Eintritt am Äquator bis zum Übertritt in den Antarktischen Zirkumpolarstrom weiter aufzuklären. Hierbei soll zwischen den verschiedenen Stockwerken des NADW differenziert werden. Wichtige Teilfragen sind der Austausch des Westlichen Randstroms mit den Wässern östlich hiervon bis hin zum afrikanischen Kontinentalabhang, wobei dem Mittelatlantischen Rücken vermutlich eine besondere Rolle zukommt, sowie der Grad der Rezirkulation des westlichen Randstroms. Die Untersuchung wird sich ausschließlich auf vorhandene Datensätze stützen, Feldarbeiten sind nicht vorgesehen. Ein Vergleich mit Strömungs- und Tracerfeldern eines hochauflösenden Zirkulationsmodells (C. Böning) soll die Untersuchung unterstützen und gleichzeitig den Realitätsgrad der Modellfelder überprüfen.

Intelligentes Hafenlogbuch zur effizienten und nachhaltigen Nutzung der Hafeninfrastruktur, Teilvorhaben: Anforderungen und Anwendung

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

Das Projekt soll die Mechanismen klären, die die Biogeochemie (Metabolismus und Stickstoffaufnahme der mikrobiellen Gemeinschaft) in verschiedenen Chronologien der Wiederaufnahme des Flusses mit und ohne Sedimenttransport modulieren. Die Wiederaufnahme der Strömung nach der Trocknung wird als biogeochemisches Heißmoment betrachtet, bei dem hohe Metabolismusraten und Stickstoffaufnahme durch die Häufigkeit der vorherigen Trocknung beeinflusst werden. Die Mechanismen, die diesen Heißmoment modulieren, sind wenig bekannt. Bisher waren es vor allem Einzelfaktorstudien in temporären Bach- und Flussökosystemen. Allerdings treten Intermittenz und Wiederaufnahme der Strömung zunehmend auch in mehrjährigen Gewässerökosystemen auf und die Oberflächenströmung impliziert oft Sedimenttransport (z.B. Wanderrippel, Oberstufenebene), insbesondere in sandigen Gewässern. Darüber hinaus kann die Wiederaufnahme der Strömung verschiedenen Chronologien folgen, wie z.B. sofort bei Regen oder langsam bei steigendem Grundwasser, und die Konzentrationen von Nährstoffen und Kohlenstoff, die bei der Wiederaufnahme der Strömung ausgelaugt werden, können auch die biogeochemische Reaktion beeinflussen. Ich schlage ein neues allgemeines Konzept von 'intermittierenden Bachlebensräumen' für alle Bereiche eines Bachbettes vor, die trotz variabler Wechselwirkungen von Faktoren irgendwann trocken sind (z.B. Oberflächenwassermangel). Die hier vorgeschlagene Untersuchung der Mechanismen bei verschiedenen Chronologien der Strömungswiederaufnahme, gekoppeltem Sedimenttransport und in temporären und mehrjährigen Gewässerökosystemen wird zeigen, ob eine solche allgemeine und integrative Sichtweise angewendet werden kann. Die Wechselwirkungen von Strömungswiederaufnahme, Sedimenttransport, Nährstoff- und Kohlenstoffkonzentrationen und Trocknungshäufigkeit werden in Mikrokosmosversuchen mit Sedimentgemeinschaften von intermittierenden Lebensräumen aus mehrjährigen und temporären Strömen untersucht. Die Antwortvariablen unter Beachtung sind: Kohlenstoffstoffwechsel, gemessen an Veränderungen der Sauerstoffkonzentration in der Dunkelheit und im Licht, Netto-Stickstoffaufnahme durch Zugabe des stabilen Isotops 15N (15NH4Cl) und der Struktur und Architektur (z.B. Biofilm) der mikrobiellen Gemeinschaft (nur für gekoppelten Sedimenttransport). Die Ergebnisse werden zu einem vollständigen mechanistischen Bild der Kohlenstoff- und Stickstoffdynamik Gewässerökosystemen beitragen, die zu starken Strömungsschwankungen und Trocknung neigen. Die Ergebnisse werden es ermöglichen, die Wiederaufnahme der Strömung in die aktuellen Konzepte der Strömungsbiogeochemie zu integrieren. Ein solcher konzeptioneller Rahmen ist der Schlüssel für das Management von Ökosystemen im Mittelmeerraum und immer mehr gemäßigten Strömungen, die aufgrund der zunehmenden Wasserentnahme und des Klimawandels trocken werden.

KI: Abbildung von Flussbettprofilen und lokalen Strömungsverhältnissen durch Künstliche Intelligenz zur Positionsermittlung von Kleinturbinen Clustern, KI: Abbildung von Flussbettprofilen und lokalen Strömungsverhältnissen durch Künstliche Intelligenz zur Positionsermittlung von Kleinturbinen Clustern

Project OTC-Genomics: Environmental and microbial time series data from the Warnow estuary and the Baltic Sea coast

Estuaries and coasts are characterized by ecological dynamics that bridge the boundary between habitats, such as fresh and marine water bodies or the open sea and the land. Because of this, these ecosystems harbor ecosystem functions that shaped human history. At the same time, they display distinct dynamics on large and small temporal and spatial scales, impeding their study. Within the framework of the OTC-Genomics project, we compiled a data set describing the community composition as well as abiotic state of an estuary and the coastal region close to it with unprecedented spatio-temporal resolution. We sampled fifteen locations in a weekly to twice weekly rhythm for a year across the Warnow river estuary and the Baltic Sea coast. From those samples, we measured temperature, salinity, and the concentrations of Chlorophyll a, phosphate, nitrate, and nitrite (physico-chemical data); we sequenced the 16S and 18S rRNA gene to explore taxonomic community composition (sequencing data and bioinformatic processing workflow); we quantified cell abundances via flow cytometry (flow cytometry data); and we measured organic trace substances in the water (organic pollutants data). Processed data products are further available on figshare.

Monitoring and modeling of water and water-related nutrient fluxes in rice-based cropping systems

Many studies have been conducted with the aim to better understand biologic and hydrologic processes that control C and N fluxes in rice paddy systems. But rarely have studies attempted to explicitly link the hydrological and biogeochemical controls of nutrient transport on the field scale. In this research project we aim to improve our understanding of processes that are involved in storing and releasing water and nutrients of different rice-based cropping systems. The Catchment Modeling Framework (CMF) will be coupled to the biogeochemical MOBILE-DNDC model (SP6) in to simulate (1) vertical and lateral transport processes of water, C and N and (2) to predict the reaction of ecosystem services such as water storage and purification, gas regulation, nutrient cycling and food supply in dependence of cropping systems. SP7 follows a rejectionist framework where model complexity is adapted to available data and process understanding. State-of-the-art analytical instruments will be connected to a unique automatic sampling system to continuously measure water isotopic composition as well as dissolved carbon and nitrogen solutes in situ for the first time. Waters to be sampled include surface water, irrigation water, groundwater and water vapor. Cavity Ringdown Spectroscopy will be used to measure 2H/H and 18O/16O. Isotopic signatures will allow estimating water mean transit times, partitioning between evaporation and transpiration and separating flow paths. Hyperspectral UV photometers equipped with a flow-through cell will be installed for continuous measurements of nitrate and DOC.

Fischwanderung ohne Grenzen Zur Durchgängigkeit an Wasserstraßen: Fischen die Reise erleichtern - Fische auf Wanderschaft: Wasserstraßen verbinden

Die frei fließenden und staugeregelten Flüsse unter den Bundeswasserstraßen sind für die Fische wichtige Verbindungsgewässer zwischen den Habitaten im Meer und an den Flussoberläufen. Fische, die große Distanzen zurücklegen, orientieren sich an der Hauptströmung und werden deshalb an Staustufen entweder zum Kraftwerk oder zum Wehr geleitet. Dort gibt es keine Möglichkeit mehr, aufwärts zu wandern, wenn nicht in der Nähe der Wehr- oder Kraftwerksabströmung eine funktionierende Fischaufstiegsanlage vorhanden ist. Da Schiffsschleusen keine kontinuierliche Leitströmung erzeugen, werden sie von den Fischarten, die der Hauptströmung folgend lange Distanzen zurücklegen, nicht gefunden. Arten, die auf ihrer Wanderung nicht der Hauptströmung folgen, können auf- oder abwandern, wenn sie eine offene Schleusenkammer vorfinden. Flussabwärts: Fische vor Kraftwerken schützen und vorbeileiten: An Staustufen ohne Wasserkraftanlagen ist die abwärts gerichtete Wanderung über ein Wehr hinweg in der Regel unproblematisch. Voraussetzung: Das Wehr ist in Betrieb, die Fallhöhe beträgt nicht mehr als 13 Meter und im Tosbecken ist eine Wassertiefe von mindestens 0,90 Metern vorhanden. Dagegen können bei Abwanderung durch eine Kraftwerksturbine leichte bis tödliche Verletzungen auftreten. Diese turbinenbedingte Mortalität ist von der Fischart und der Körperlänge der Tiere sowie von Turbinentyp und -größe, der Fallhöhe und den jeweiligen Betriebsbedingungen abhängig. Um hier einen gefahrlosen Fischabstieg zu gewährleisten, sind die Betreiber von Wasserkraftanlagen nach Wasserhaushaltsgesetz verpflichtet, die Wasserkraftanlagen mit geeigneten Maßnahmen zum Schutz der Fischpopulation (z. B. mit Feinrechen und einem Bypass am Kraftwerk vorbei ins Unterwasser) aus- bzw. nachzurüsten. Flussaufwärts: Hier helfen nur Fischaufstiege: Verschiedene Untersuchungen der Durchgängigkeit an Rhein, Mosel, Main, Neckar, Weser, Elbe und Donau haben gezeigt, dass zwar ein großer Teil der Staustufen mit Fischaufstiegsanlagen ausgestattet ist, diese für die aufstiegswilligen Fische jedoch schwer zu finden oder zu passieren sind. Im Mai 2009 stimmten die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) und die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) gemeinsam mit dem Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS heute: Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, BMVI) folgendes Rahmenkonzept für die erforderlichen Arbeiten ab: - Aufstellung fachlicher Grundlagen, insbesondere zu fischökologischen Dringlichkeiten - Fachliche Beratung der WSV sowie Schulungen - Forschungs- und Entwicklungsprojekte für die Erstellung eines technischen Regelwerks, und - Standardisierung der Anforderungen und Ausführung von Fischaufstiegs-, Fischschutz- und Fischabstiegsanlagen. (Text gekürzt)

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