Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es neue Wege aufzuzeigen, mit deren Hilfe Modelle der chemischen Bindung in intermetallischen Verbindungen entwickelt werden können. Diese Modelle sollten sowohl auf experimentelle als auch auf quantenchemische Befunde gestützt und physikalisch sinnvoll sein. Untersuchungsobjekt waren intermetallische AB2-Verbindungen mit der Struktur des CuAl2-Typs. Von den vielen Vertretern wurden drei Substanzklassen mit insgesamt sechs Verbindungen gewählt, nämlich CuAl2, die Stannide (MnSn2, FeSn2 und CoSn2) sowie die Antimonide (TiSb2 und VSb2). Für die Bestimmung der physikalischen Eigenschaften der Verbindungen wurden Einkristalle mit verschiedenen synthetischen Methoden (Antimonide und Stannide: Synthese in der Schmelze; FeSn2: chemischer Transport; CuAl2: modifiziertes Bridgman-Verfahren) hergestellt. Für alle Verbindungen wurden Einkristallstrukturanalysen durchgeführt, die die aus der Literatur bekannten Strukturlösungen deutlich verbessern konnten. An die Ermittlung der Existenzbedingungen schloss sich die Charakterisierung der Verbindungen hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften an. Informationen über Art und Stärke der chemischen Bindung wurden anhand von polarisierten Raman-Messungen an orientierten Einkristallen, Ermittlung der Hall-Tensor- und Widerstands-Tensor-Komponenten, XAS-Spektren und Hochdruckuntersuchungen ermittelt. Um die experimentell bestimmten Eigenschaften der Verbindungen besser verstehen zu können, wurden quantenchemische Berechnungen an den Verbindungen durchgeführt. Auf der Basis von TB-LMTO-ASA-Berechnungen wurden die Bandstrukturen und die DOS der Verbindungen ermittelt. Die anschließende Berechnung der ELF gab Hinweise auf die Bindungstopologie in den Verbindungen. Demnach ändert sich die Topologie der chemischen Bindung mit dem konstituierenden Hauptgruppenmetall und alle bindenden Wechselwir­kungen in den Verbindungen besitzen kovalenten Charakter. Zusätzlich wurden anhand von Frozen-Phonon-Berechnungen mittels LAPW-Berechnungen die Schwingungsfrequenzen der Raman-aktiven Moden der Verbindungen TiSb2, VSb2 und CuAl2 ermittelt, wodurch die experimentelle Symmetriezuordnung bestätigt werden konnte. In Zusammenarbeit mit Herrn Dr. A. Yaresko (Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, Dresden) wurden die Hall-Tensor-Komponenten der Verbindungen berechnet. Aus der großen Anzahl an Daten über die Verbindungen wurden anschließend Modelle der chemischen Bindung erstellt. Zunächst wurde anhand der Bindungs-Topologie aus den ELF-Berechnungen der Ort der partiell kovalenten Bindungen im Realraum erfasst. Basierend auf dieser Bindungstopologie wurden mit Hilfe von Kraftkonstanten-Modellen die Bindungsstärken auf der Grundlage der Raman-Daten ermittelt. Die erhaltenen Modelle wurden aufgrund von berechneten Phononen-Dispersions-Diagrammen auf ihre mechanische Stabilität hin überprüft. Die experimentellen Bindungsordnungen der verschiedenen Bindungen wurden durch Vergleich mit spektroskopischen Daten von überwiegend metallorganischen Verbindungen aus der Literatur ermittelt. Abschließend wurde die Art der chemischen Bindung aufgrund der ELF-Berechnungen, relativen Raman-Intensitäten und Daten aus der Literatur über Mößbauer- und NMR-Untersuchungen sowie den Eigenschaften der Verbindungen abgeleitet. Demnach herrscht die kovalente Bindung in diesen Verbindungen vor, zusätzlich sind jedoch freie Ladungsträger vorhanden, die für die elektrische Leitfähigkeit verantwortlich sind. Den Abschluss der Arbeit bildet ein Vergleich der verschiedenen Verbindungen hinsichtlich Topologie, Art und Stärke der chemischen Bindung und eine Weiterentwicklung der Strukturtheorie des CuAl2-Typs. Im Rahmen dieser Arbeit konnten wesentliche und neue Beiträge zum Verständnis der chemischen Bindung in intermetallischen Verbindungen mit der Struktur des CuAl2-Typs erarbeitet werden.

Les matériaux de Dirac constituent une classe intéressante de systèmes pouvant subir une transition de phase quantique à température nulle, lorsqu’un paramètre non-thermique atteint un point critique quantique. À l’approche d’un tel point, les observables physiques sont affectées par les importantes fluctuations thermiques et quantiques. Dans ce mémoire, on utilise des techniques de théorie conforme des champs afin d’étudier le tenseur de conductivité électrique dans des théories en 2 + 1 dimensions contenant des fermions de Dirac près d’un point critique quantique. À basse énergie, ces dernières décrivent de façon adéquate de nombreux matériaux de Dirac ainsi que leur transition de phase quantique. La conductivité est étudiée dans le régime des hautes fréquences, à température non-nulle et lorsque le paramètre non-thermique est près de sa valeur critique. Dans ce projet, l’emphase est mise sur les points critiques quantiques invariants sous la parité et le renversement du temps. Dans ce cas, l’expansion de produit d’opérateurs (Operator product expansion en anglais) ainsi que la théorie des perturbations conforme permettent d’obtenir une expression générale pour l’expansion à grandes fréquences des conductivités longitudinales et transverses (de Hall) lorsque le point critique quantique est déformé par un opérateur scalaire relevant. Grâce à ces dernières, nous sommes en mesure de déduire des règles de somme exactes pour ces deux quantités. À titre d’exemple, nos résultats généraux sont appliqués dans le cadre du modèle interagissant de Gross-Neveu, où nous obtenons l’expansion des deux conductivités ainsi que les règles de somme pour un nombre de saveurs de fermions de Dirac N arbitraire. Ces mêmes expressions sont ensuite obtenues par un calcul explicite à N = infini, permettant la comparaison avec les résultats pour un N quelconque. Par la suite, des résultats généraux similaires sont obtenus dans le cas où le point critique quantique est déformé par un opérateur pseudoscalaire relevant. Ces derniers sont finalement appliqués à une théorie de fermions de Dirac libres perturbée par un terme de masse. / Dirac materials constitute an interesting class of systems that can undergo a quantum phase transition at zero temperature, when a non-thermal parameter reaches a quantum critical point. As we approach such a point, physical observables are altered by the important thermal and quantum fluctuations. In this thesis, conformal field theory techniques are used to study the electrical conductivity tensor in theories with Dirac fermions in 2+1 dimensions close to a quantum critical point. At low energies, these adequately describe various Dirac materials as well as their quantum phase transition. In this project, we focus on theories that have a quantum critical point invariant under parity and time-reversal. In this case, the operator product expansion and conformal perturbation theory allow to obtain a general expression for the large frequency expansion of the longitudinal and transverse (Hall) conductivities when the quantum critical point is deformed by a relevant scalar operator. Using these, we are able to deduce exact sum rules for both quantities. As an example, our general results are applied to the Gross-Neveu model, where we obtain the large frequency expansion for both conductivities and the associated sum rules for an arbitrary number of Dirac fermion flavors N. The same expressions are then obtained by an explicit calculation at N = infinity, allowing to compare with our results for any N. Afterwards, analogous general results are obtained for theories where the quantum critical point is deformed by a relevant pseudoscalar. These are finally applied to a theory of massless free Dirac fermions perturbed by a mass term.

Wetland sites provide important knowledge about settlement history and historical infrastructure in the form of buried archaeological features. However, the subsurface is difficult to access, e.g. due to high groundwater levels or unstable sediments, making archaeological excavation difficult and the conservation of recovered artefacts, e.g. timbers, is expensive. In addition, one of the aims of heritage conservation is to disturb structures in such contexts as little as possible as part of preserving. Therefore, alternative non- and minimal-invasive methods, e.g. geophysical prospection and vibra-coring, are used for exploration. However, geophysical surveys face the issue of inaccurate depth values and rely on sufficient contrasts in the measured physical parameters. Vibra-coring allows direct access to the sediments, but again gives inaccurate depth values due to high compaction rates. For this reason, the implementation of alternative methods and the development of new methodical approaches to wetland site exploration are of extraordinary importance. One such wetland site is the Fossa Carolina, an early medieval canal that today is partially buried. Located in Southern Germany next to Treuchtlingen, south of Nuremberg, the canal was intended at the time to provide a navigable link between the Rhine-Main and Danube basins by bridging the European watershed. In the research for this thesis, direct push sensing was used as an alternative exploration technique to explore the site. In this method, various probes are pushed into the unconsolidated subsoil and the parameters are measured in situ with high depth accuracy. (i) Therefore, the colour logging tool (CLT) and the electrical conductivity (EC) probe were applied. (ii) In order to record archaeological structures and features, the soundings were distributed closely along a transect using an adaptive exploration strategy, thus recording a high-resolution cross-section of the structure. (iii) These prospections were integrated into a spatial-hierarchical multi-method approach by combining direct push sensing with geophysical survey and vibra-coring, inter alia. (iv) Thus, a deeply buried section of the Fossa Carolina (West-East Section) was explored, demonstrating at least one-way navigability and revealing the backfill stratigraphy. (v) Furthermore, the approach used helped to clarify the nature of conspicuous magnetic anomalies in the area adjacent to the canal. In the Northern and North-Eastern Sections, magnetic anomalies provided evidence of water-supplying structures. The exploration of these structures revealed an Early Holocene structure in the North-Eastern Section and a historic gravel road in the Northern Section. (vi) Additionally, a strong magnetic anomaly with a course parallel to the canal in the Northern Section could be temporally and stratigraphically associated with the construction of the canal. Thus, for the first time, a larger remnant of the construction process outside the canal could be identified, even if the origin could not be conclusively clarified. (vii) In a broader context, the in situ direct push cross-sections were integrated into a 3D modelling approach for the entire Fossa Carolina to quantify the excavation volume. (viii) The methodological approach was successfully applied to a wetland site at Pestenacker in Southern Germany to collect evidence for Holocene floodplain dynamics in the Late Neolithic settlement. Finally, the thesis demonstrates the enormous methodological potential of direct push sensing for the exploration of buried archaeological sites. In particular, the colour logging tool is proving to be extremely effective, further enhanced by the intelligent combination in multi-method approaches. This is confirmed by the significant results obtained at Fossa Carolina that shed new light on the canal{'}s navigability, water supply, and construction structure. Overall, this thesis demonstrates the valuable contribution that direct push methods can make to geoarchaeological research. It both introduces a new methodological approach and provides new empirical evidence concerning the construction of an example of early medieval infrastructure.:Preface Acknowledgements Abstract Kurzfassung Contents List of Figures List of Tables Acronyms and Symbols 1 Introduction 1.1 Geoarchaeological exploration in wetlands: possibilities and challenges 1.1.1 Proven exploration methods 1.1.2 Direct push sensing 1.1.3 Exploration strategies 1.2 The study site 1.2.1 The Fossa Carolina - State of the art in brief 1.2.2 Natural settings 1.3 Aims of the thesis 2 Published Studies 2.1 Minimalinvasive Direct-push-Erkundung in der Feuchtboden(geo)archäologie am Beispiel des Karlsgrabens (Fossa Carolina) 2.2 Non-invasive prospection techniques and direct push sensing as high-resolution validation tools in wetland geoarchaeology – Artificial water supply at a Carolingian canal in South Germany? 2.3 High-Resolution Direct Push Sensing in Wetland Geoarchaeology—First Traces of Off-Site Construction Activities at the Fossa Carolina 2.4 3D-Modelling of Charlemagne’s Summit Canal (Southern Germany)—Merging Remote Sensing and Geoarchaeological Subsurface Data 2.5 A hydrological tipping point and onset of Neolithic wetland occupation in Pestenacker (Lech catchment, S Germany) 3 Discussion 3.1 Direct push sensing for wetland exploration 3.1.1 High-resolution direct push sensing cross-sections 3.1.2 Integration and comparison of direct push sensing in a spatially hierarchical multi-method approach 3.1.3 Direct push colour logging tool (CLT) data for ground truthing 3.1.4 Perspectives on direct push sensing in geoarchaeology 3.2 Results of the exploration of the Fossa Carolina 3.2.1 Chronostratigraphic recording in the West-East and Northern Sections 3.2.2 Characteristics of the canal construction in the West-East and Northern Sections 3.2.3 Validation of off-canal structures in the Northern and North-Eastern Sections 3.2.4 Water supply for the Fossa Carolina 3.2.5 Pending issues in the study of the Fossa Carolina 4 Conclusion References Appendix A1 - Author publications A2 - Article contribution A3 - Declaration of originality A4 - Bibliographic description / Feuchtgebiete bergen durch begrabene archäologische Strukturen wichtige Erkenntnisse zur Siedlungsgeschichte und historischen Infrastruktur. Schwierige Untergrundverhältnisse, z. B. durch hohen Grundwasserspiegel oder instabile Sedimente, erschweren jedoch archäologische Ausgrabungen und die Konservierung der geborgenen Artefakte, z. B. Hölzer, verursacht hohe Kosten. Darüber hinaus ist ein Ziel der Bodendenkmalpflege, archäologische Strukturen so wenig wie möglich zu beeinträchtigen und sie in situ zu erhalten. Daher werden alternative nicht- und minimal-invasive Methoden, z. B. geophysikalische Prospektionen und Rammkernsondierungen, zur Exploration eingesetzt. Bei geophysikalischen Untersuchungen ergeben sich jedoch Schwierigkeiten durch ungenaue Tiefenwerte und die Methoden sind auf ausreichende Kontraste der gemessenen physikalischen Parameter angewiesen. Rammkernsondierungen ermöglichen einen direkten Zugriff auf die Sedimente, erzeugen jedoch wiederum ungenaue Tiefenwerte durch hohe Kompaktionsraten. Aus diesem Grund sind die Implementierung alternativer Methoden und die Entwicklung neuer methodischer Ansätze für die Erforschung von Feuchtgebietsstandorten von herausragender Bedeutung. Die Fossa Carolina, ein frühmittelalterlicher, heute teilweise verschütteter Kanal, ist ein solcher Standort. Das Bauwerk befindet sich in Süddeutschland in der Nähe von Treuchtlingen, südlich von Nürnberg und sollte eine schiffbare Verbindung zwischen dem Rhein-Main- und dem Donaueinzugsgebiet herstellen, indem es die europäische Hauptwasserscheide überbrückte. Zur Erkundung des Bauwerks wurde als Alternative die in situ Direct-Push-Methode eingesetzt. Bei dieser Methode werden verschiedene Sonden in den unkonsolidierten Untergrund gedrückt und die Parameter in situ tiefengenau gemessen. (i) Dabei kamen die Farbsonde, engl. colour logging tool (CLT), und die Sonde zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit, engl. electrical conductivity (EC) probe, zum Einsatz. (ii) Zur Erfassung archäologischer Strukturen und Befunde wurden die Sondierungen mit einer adaptiven Erkundungsstrategie auf einem Transekt engmaschig verteilt und somit ein hochaufgelöster Querschnitt des Bauwerks erfasst. (iii) Darüber hinaus wurden diese Prospektionen in einen räumlich-hierarchischen Multimethodenansatz integriert, indem in situ Direct-Push-Sondierungen mit z. B. geophysikalischen Erkundungen und Rammkernsondierungen kombiniert wurden. Somit wurde (iv) ein tiefliegender, begrabener Abschnitt der Fossa Carolina im West-Ost-Bereich erkundet, dort die Schiffbarkeit für mindestens eine Schiffsbreite nachgewiesen und die Sedimentstratigraphie der Verfüllung beschrieben. Weiterhin wurde der Ansatz genutzt, um magnetische Anomalien im Umfeld des Kanals zu prospektieren. (v) Im nördlichen und nordöstlichen Bereich lieferten magnetische Anomalien Hinweise auf wasserzuführende Bauwerke im Untergrund. Die Erkundung ergab eine frühholozäne Struktur im nordöstlichen Bereich und eine historische Schotterstraße im nördlichen Bereich. (vi) Weiterhin konnte eine starke magnetische Anomalie mit parallelem Verlauf zum Kanal im nördlichen Bereich zeitlich und stratigraphisch dem Bauwerk zugeordnet werden. Somit konnte zum ersten Mal eine größere Spur des Baus außerhalb des Kanals nachgewiesen werden, auch wenn die Entstehung nicht abschließend geklärt werden konnte. (vii) Im übergeordneten Kontext konnten die Daten der in situ Direct-Push-Transekte in einen 3D-Modellierungsansatz für die gesamte Fossa Carolina zur Quantifizierung des Aushubs integriert werden. (viii) Neben der Erforschung der Fossa Carolina wurde der methodische Ansatz zusätzlich an einem Feuchtgebietsstandort bei Pestenacker in Süddeutschland angewendet, um Informationen über die holozäne Auendynamik an der spätneolithischen Siedlung zu gewinnen. Schlussendlich belegt die Dissertation das enorme methodische Potential der in situ Direct-Push-Erkundungen für die Prospektion von Bodendenkmälern. Dabei erweist sich insbesondere die Farbsonde als äußerst wirkungsvoll, was durch die gezielte Kombination in multi-methodischen Ansätzen noch verstärkt wird. Dies wird durch die aussagekräftigen Ergebnisse an der Fossa Carolina belegt, mit deren Hilfe insbesondere neue Erkenntnisse zur Schiffbarkeit, Wasserzuführung und Baustruktur gewonnen werden konnten. Insgesamt demonstriert diese Dissertation den wertvollen Beitrag, den in situ Direct-Push-Methoden zur geoarchäologischen Forschung leisten können. Sie präsentiert sowohl einen neuen methodischen Ansatz als auch neue empirische Erkenntnisse zu einem frühmittelalterlichen Bauwerk.:Preface Acknowledgements Abstract Kurzfassung Contents List of Figures List of Tables Acronyms and Symbols 1 Introduction 1.1 Geoarchaeological exploration in wetlands: possibilities and challenges 1.1.1 Proven exploration methods 1.1.2 Direct push sensing 1.1.3 Exploration strategies 1.2 The study site 1.2.1 The Fossa Carolina - State of the art in brief 1.2.2 Natural settings 1.3 Aims of the thesis 2 Published Studies 2.1 Minimalinvasive Direct-push-Erkundung in der Feuchtboden(geo)archäologie am Beispiel des Karlsgrabens (Fossa Carolina) 2.2 Non-invasive prospection techniques and direct push sensing as high-resolution validation tools in wetland geoarchaeology – Artificial water supply at a Carolingian canal in South Germany? 2.3 High-Resolution Direct Push Sensing in Wetland Geoarchaeology—First Traces of Off-Site Construction Activities at the Fossa Carolina 2.4 3D-Modelling of Charlemagne’s Summit Canal (Southern Germany)—Merging Remote Sensing and Geoarchaeological Subsurface Data 2.5 A hydrological tipping point and onset of Neolithic wetland occupation in Pestenacker (Lech catchment, S Germany) 3 Discussion 3.1 Direct push sensing for wetland exploration 3.1.1 High-resolution direct push sensing cross-sections 3.1.2 Integration and comparison of direct push sensing in a spatially hierarchical multi-method approach 3.1.3 Direct push colour logging tool (CLT) data for ground truthing 3.1.4 Perspectives on direct push sensing in geoarchaeology 3.2 Results of the exploration of the Fossa Carolina 3.2.1 Chronostratigraphic recording in the West-East and Northern Sections 3.2.2 Characteristics of the canal construction in the West-East and Northern Sections 3.2.3 Validation of off-canal structures in the Northern and North-Eastern Sections 3.2.4 Water supply for the Fossa Carolina 3.2.5 Pending issues in the study of the Fossa Carolina 4 Conclusion References Appendix A1 - Author publications A2 - Article contribution A3 - Declaration of originality A4 - Bibliographic description

Das Wurzelwachstum von Winterweizen wurde erfasst und modelliert, um teilflächenspezifisches Boden- und Düngemanagement zu verbessern. Die Variation von Wurzellängendichten im Feld wurde über zwei Vegetationsperioden hinweg an zwei unterschiedlichen Standorten in Ostdeutschland untersucht. Zur Auswertungserleichterung der hohen Anzahl an Wurzelproben, wurde eine halbautomatische Methode zur Bildanalyse von Wurzeln entwickelt. Der Einfluss von Änderungen bezüglich Bodenwasserstatus und Bodendichte bzw. Durchdringungswiderstand auf das Wurzelwachstum wurde untersucht. Die erhobenen Felddaten dienten gleichzeitig dazu, die Bodenwasser- und Wurzelwachstumsberechnung des Modells CERES-Wheat zu validieren. Das Modell simulierte die unterschiedlichen Bodeneigenschaften sowie die Wurzellängendichten und Bodenwassergehalte nur unzureichend. Der Effekt von Änderungen der Niederschlagsmengen auf die Simulationen von Wurzellängendichten und Bodenwassergehalten wurde anhand einer Unsicherheitsanalyse getestet und war extrem gering. Des Weiteren wurde eine Methode für praktische Zwecke entwickelt, mit der die Generierung von räumlich hoch aufgelösten Bodeninformationen unter Verwendung limitierter Eingangsdaten möglich ist. Die Modellkalkulationen basieren auf der Dempster-Shafer-Theorie. Anhand von multitemporal und multimodal erfassten Bodenleitfähigkeitsdaten, die Eingangsdaten für den Modellansatz sind, wurden Bodentypen und Texturklassen bestimmt. Das Modell generiert eine digitale Bodenkarte, die flächenhafte Informationen über Bodentypen und Bodeneigenschaften enthält. Die Validation der Bodenkarte mit zusätzlich erhobenen Bodeninformationen ergab gute bis sehr gute Ergebnisse. / Winter wheat root growth was measured and modelled to improve site-specific soil and fertilizer management in commercial wheat fields. Field variations in root length densities were analysed at two contrasting sites in East-Germany during two vegetation seasons. A semi-automated root analysing method was developed to facilitate analyses of large numbers of samples. Influences of variations in soil water states, bulk densities and penetration resistances on spatial distributions of roots were quantified. Differences in soil characteristics were large between the two sites and affected root growth considerably. The same field data was used for validating the soil moisture and root growth calculations of the widely applied growth model CERES-Wheat. Simulations of root length densities, soil physical properties and soil water contents were inadequate. The effects of changes of rainfall variabilities on simulated root length densities and soil water contents were tested by uncertainty analysis but were negligible low. A methodology for generating soil information for practical management purposes at a high degree of spatial resolution using limited input information was developed. The corresponding model calculations were carried out based on the Dempster and Shafer theorem. Soil types and texture classes were determined with multimodally and multitemporally captured data of soil electrical conductivities which are required input data of the new model approach. The model generates a digital map with extensive information of spatial variations in soil properties. The validation of the generated soil map with soil data from independent measurements yielded close correlation between measured and calculated values.

Groundwater flow modelling provides an important quantitative instrument for addressing issues related to the quantity and quality of groundwater and the connected water resources. Consequently, groundwater flow models have been developed and used ubiquitously in science to deepen the understanding of subsurface processes and their drivers as well as management and planning tools. The present work investigates how numerical models can be linked to field investigations and public databases to quantitatively approach questions in the area of groundwater research. The primary goal is to develop new, efficient ways to overcome limitations of the individual hydrological concepts for solving specific hydrological problems and to increase the understanding of practical applicability of different methods. For this purpose, tailor-made approaches were developed for different study areas covering diverse spatial scales: the hydrology of a small mining lake, the riparian aquifer at the scale of a single meander as well as the aquifer systems of a large-scale river basin in China. The first part of the work deals with the physical and mathematical modelling of water constituents balance in a meromictic mining lake in Lusatia. The capability of using a rather simple mass-balance model based on a sufficient dataset of field data to evaluate lake stratification and lake-groundwater interaction were shown. In the second part, a transient numerical groundwater flow model was developed for the riparian aquifer of a stream meander and was calibrated by three different salt tracer tests. The model was used to proof the reliability of subsurface travel times derived from time series analysis and to give insights in the riparian zone dynamics during changing hydraulic gradients. The third part of the work describes the methodology to conduct risk assessment of groundwater contamination on the large catchment scale of the Songhua River in China. A comprehensive literature study was conducted to get an overview about measurement data on water quality data in China. A three-dimensional numerical flow and mass transport model was applied to access the flow and matter transport dynamics in the aquifer system of a sub-basin considering changing groundwater exploitation scenarios. Consequently, numerical groundwater modelling was combined with processed remote sensing and web mapping service data to overcome field data limitations and to derive groundwater vulnerability, groundwater hazard and groundwater risk maps for the entire Songhua River Basin. Summarizing, this doctoral thesis could develop new methods of combining field measurements, data assimilation and aggregation from various sources and groundwater modelling strategies and successfully apply these methods to find solutions on problems of multiple scales and across water systems. / Die Grundwassermodellierung stellt eine wichtige wissenschaftliche Methode zur quantitativen Analyse von Fragestellungen zum Schutz der Menge und Güte der Grundwasserressourcen sowie der angeschlossenen Wasserkörper dar. Dementsprechend werden Grundwassermodelle sowohl für Planungs- und Bewertungszwecke im Wasserressourcenmanagement als auch zur wissenschaftlichen Erforschung der Prozesse im Untergrund entwickelt und angewendet. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Rahmen, wie numerische Modelle, Feldmessungen und Daten generiert aus Fernerkundungsdaten und Webplattformen systematisch verknüpft werden können, um Fragestellungen im Bereich der Grundwasserforschung quantitativ zu beantworten. Das Ziel der Arbeit ist es neue effiziente Abläufe zu entwickeln, die die Limitierung der einzelnen Methoden überwinden und diese auf deren Anwendbarkeit für die Lösung spezifischer hydrologischer Probleme zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden in dieser Doktorarbeit fallspezifische Lösungen für verschiedene Untersuchungsgebiete entwickelt, die sowohl in der räumlichen Skale als auch in den zu untersuchenden hydrologischen Fragestellungen eine große Diversität aufweisen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Massenbilanz von Wasserinhaltsstoffen in einem meromiktischen Tagebaurestsee im Lausitzer Revier durch physikalische und mathematische Modellierungsmethoden untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass auf Basis einer gewonnenen mehrjährigen Zeitreihe von Messdaten ein einfaches Massenbilanzmodell in der Lage ist, sowohl Seeschichtungs- als auch Grundwasseraustauschdynamiken quantitativ zu beschreiben. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines transienten numerischen Grundwassermodells für den quartären Uferaquifer im Bereich eines Flussmäanders der Selke welches anhand von Daten aus mehreren Salztracertests kalibriert wurde. Das Modell wurde dafür verwendet die transienten Verweilzeiten in der gesättigten Zone des Mäanderbogens unter dem Einfluss dynamischer hydraulischer Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden im Anschluss mit Verweilzeiten verglichen, die aus der Analyse der zeitlichen Verschiebung von gemessenen elektrischen Leitfähigkeitszeitreihen zwischen Fluss und Grundwassermessstellen gewonnen wurden. Durch dieses kombinierte Verfahren konnten sowohl die Beschränkungen der zeitreihenbasierten Verweilzeitberechnung aufgezeigt als auch ein tieferes Systemverständnis für die Interaktionsdynamiken zwischen Grund- und Flusswasser auf der Mäanderskala gewonnen werden. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt die Vorgehensweise für die Bewertung des Grundwasserkontaminationsrisikos im Einzugsgebiet des Songhua Flusses in China. Eine umfassende Literaturstudie wurde durchgeführt, um einen Überblick über die Verfügbarkeit von Messdaten zur Belastung der Wasserressourcen Chinas mit organischen Schadstoffen zu erhalten. Danach wurde für ein Teileinzugsgebiet ein dreidimensionales numerisches Grundwassermodell auf Basis der vorhandenen hydrogeologischen Daten aufgebaut. Dieses wurde dazu verwendet die Änderungen im Stofftransports und den Schadstoffkonzentrationen innerhalb des Aquifersystems unter steigenden Entnahmeraten zu analysieren. Basierend auf diesen Studien wurden auf der Skale des Gesamteinzugsgebiets, um die beschränkte Verfügbarkeit von Felddaten auszugleichen, die Ergebnisse der numerischen Grundwassermodellierung mit Fernerkundungsdaten und Webdatenbanken in einem Indexsystem kombiniert mit dem für die oberflächennahen Aquifere Vulnerabilität, Gefährdungspotential und Verschmutzungsrisiko in einer räumlichen Auflösung von 1 km² bestimmt wurden. Zusammenfassend konnten durch die vorliegende Doktorarbeit neue passgenaue Methoden zur effektiven Kombination von in-situ Messungen, der Datenerhebung und Datenintegration aus vielfältigen Datenquellen sowie numerischen Grundwassermodellierungsstrategien entwickelt und zur Lösung der untersuchten hydrologischer Fragestellen auf den verschiedenen Skalen und über die Grenzen der einzelnen hydrologischen Teilsysteme hinaus erfolgreich angewandt werden.

Groundwater flow modelling provides an important quantitative instrument for addressing issues related to the quantity and quality of groundwater and the connected water resources. Consequently, groundwater flow models have been developed and used ubiquitously in science to deepen the understanding of subsurface processes and their drivers as well as management and planning tools. The present work investigates how numerical models can be linked to field investigations and public databases to quantitatively approach questions in the area of groundwater research. The primary goal is to develop new, efficient ways to overcome limitations of the individual hydrological concepts for solving specific hydrological problems and to increase the understanding of practical applicability of different methods. For this purpose, tailor-made approaches were developed for different study areas covering diverse spatial scales: the hydrology of a small mining lake, the riparian aquifer at the scale of a single meander as well as the aquifer systems of a large-scale river basin in China. The first part of the work deals with the physical and mathematical modelling of water constituents balance in a meromictic mining lake in Lusatia. The capability of using a rather simple mass-balance model based on a sufficient dataset of field data to evaluate lake stratification and lake-groundwater interaction were shown. In the second part, a transient numerical groundwater flow model was developed for the riparian aquifer of a stream meander and was calibrated by three different salt tracer tests. The model was used to proof the reliability of subsurface travel times derived from time series analysis and to give insights in the riparian zone dynamics during changing hydraulic gradients. The third part of the work describes the methodology to conduct risk assessment of groundwater contamination on the large catchment scale of the Songhua River in China. A comprehensive literature study was conducted to get an overview about measurement data on water quality data in China. A three-dimensional numerical flow and mass transport model was applied to access the flow and matter transport dynamics in the aquifer system of a sub-basin considering changing groundwater exploitation scenarios. Consequently, numerical groundwater modelling was combined with processed remote sensing and web mapping service data to overcome field data limitations and to derive groundwater vulnerability, groundwater hazard and groundwater risk maps for the entire Songhua River Basin. Summarizing, this doctoral thesis could develop new methods of combining field measurements, data assimilation and aggregation from various sources and groundwater modelling strategies and successfully apply these methods to find solutions on problems of multiple scales and across water systems. / Die Grundwassermodellierung stellt eine wichtige wissenschaftliche Methode zur quantitativen Analyse von Fragestellungen zum Schutz der Menge und Güte der Grundwasserressourcen sowie der angeschlossenen Wasserkörper dar. Dementsprechend werden Grundwassermodelle sowohl für Planungs- und Bewertungszwecke im Wasserressourcenmanagement als auch zur wissenschaftlichen Erforschung der Prozesse im Untergrund entwickelt und angewendet. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Rahmen, wie numerische Modelle, Feldmessungen und Daten generiert aus Fernerkundungsdaten und Webplattformen systematisch verknüpft werden können, um Fragestellungen im Bereich der Grundwasserforschung quantitativ zu beantworten. Das Ziel der Arbeit ist es neue effiziente Abläufe zu entwickeln, die die Limitierung der einzelnen Methoden überwinden und diese auf deren Anwendbarkeit für die Lösung spezifischer hydrologischer Probleme zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden in dieser Doktorarbeit fallspezifische Lösungen für verschiedene Untersuchungsgebiete entwickelt, die sowohl in der räumlichen Skale als auch in den zu untersuchenden hydrologischen Fragestellungen eine große Diversität aufweisen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Massenbilanz von Wasserinhaltsstoffen in einem meromiktischen Tagebaurestsee im Lausitzer Revier durch physikalische und mathematische Modellierungsmethoden untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass auf Basis einer gewonnenen mehrjährigen Zeitreihe von Messdaten ein einfaches Massenbilanzmodell in der Lage ist, sowohl Seeschichtungs- als auch Grundwasseraustauschdynamiken quantitativ zu beschreiben. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines transienten numerischen Grundwassermodells für den quartären Uferaquifer im Bereich eines Flussmäanders der Selke welches anhand von Daten aus mehreren Salztracertests kalibriert wurde. Das Modell wurde dafür verwendet die transienten Verweilzeiten in der gesättigten Zone des Mäanderbogens unter dem Einfluss dynamischer hydraulischer Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden im Anschluss mit Verweilzeiten verglichen, die aus der Analyse der zeitlichen Verschiebung von gemessenen elektrischen Leitfähigkeitszeitreihen zwischen Fluss und Grundwassermessstellen gewonnen wurden. Durch dieses kombinierte Verfahren konnten sowohl die Beschränkungen der zeitreihenbasierten Verweilzeitberechnung aufgezeigt als auch ein tieferes Systemverständnis für die Interaktionsdynamiken zwischen Grund- und Flusswasser auf der Mäanderskala gewonnen werden. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt die Vorgehensweise für die Bewertung des Grundwasserkontaminationsrisikos im Einzugsgebiet des Songhua Flusses in China. Eine umfassende Literaturstudie wurde durchgeführt, um einen Überblick über die Verfügbarkeit von Messdaten zur Belastung der Wasserressourcen Chinas mit organischen Schadstoffen zu erhalten. Danach wurde für ein Teileinzugsgebiet ein dreidimensionales numerisches Grundwassermodell auf Basis der vorhandenen hydrogeologischen Daten aufgebaut. Dieses wurde dazu verwendet die Änderungen im Stofftransports und den Schadstoffkonzentrationen innerhalb des Aquifersystems unter steigenden Entnahmeraten zu analysieren. Basierend auf diesen Studien wurden auf der Skale des Gesamteinzugsgebiets, um die beschränkte Verfügbarkeit von Felddaten auszugleichen, die Ergebnisse der numerischen Grundwassermodellierung mit Fernerkundungsdaten und Webdatenbanken in einem Indexsystem kombiniert mit dem für die oberflächennahen Aquifere Vulnerabilität, Gefährdungspotential und Verschmutzungsrisiko in einer räumlichen Auflösung von 1 km² bestimmt wurden. Zusammenfassend konnten durch die vorliegende Doktorarbeit neue passgenaue Methoden zur effektiven Kombination von in-situ Messungen, der Datenerhebung und Datenintegration aus vielfältigen Datenquellen sowie numerischen Grundwassermodellierungsstrategien entwickelt und zur Lösung der untersuchten hydrologischer Fragestellen auf den verschiedenen Skalen und über die Grenzen der einzelnen hydrologischen Teilsysteme hinaus erfolgreich angewandt werden.

Im Bereich der industriellen Metallurgie und Kristallzüchtung treten bei zahlreichen Anwendungen, wo magnetische Wechselfelder zur induktiven Beeinflussung von leitfähigen Werkstoffen eingesetzt werden, auch Strömungen mit freier Oberfläche auf. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom einfachen Aufschmelzen eines Metalls in einem offenen Tiegel bis hin zur vollständigen Levitation. Auch der sogenannte RGS-Prozess, ein substratbasiertes Kristallisationsverfahren zur Herstellung siliziumbasierter Dünnschichtmaterialien, ist dafür ein Beispiel. Um bei solchen Prozessen die Interaktion von Magnetfeld und Strömung zu untersuchen, ist die numerische Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel. Für beliebige dreidimensionale Probleme werden entsprechende Berechnungen bisher durch eine externe Kopplung kommerzieller Programme realisiert, die für Magnetfeld und Strömung jeweils unterschiedliche numerische Techniken nutzen. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen mit unnötigem Rechenaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Methodenapparat auf Basis der FVM vorgestellt, mit welchem sich diese Art von Berechnungen effizient durchführen lassen. Mit der Implementierung dieser Methoden in foam-extend, einer erweiterten Version der quelloffenen Software OpenFOAM, ist daraus ein leistungsfähiges Werkzeug in Form einer freien Simulationsplattform entstanden, welches sich durch einen modularen Aufbau leicht erweitern lässt. Mit dieser Plattform wurden in foam-extend auch erstmalig dreidimensionale Induktionsprozesse im Frequenzraum gelöst.

Im Bereich der industriellen Metallurgie und Kristallzüchtung treten bei zahlreichen Anwendungen, wo magnetische Wechselfelder zur induktiven Beeinflussung von leitfähigen Werkstoffen eingesetzt werden, auch Strömungen mit freier Oberfläche auf. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom einfachen Aufschmelzen eines Metalls in einem offenen Tiegel bis hin zur vollständigen Levitation. Auch der sogenannte RGS-Prozess, ein substratbasiertes Kristallisationsverfahren zur Herstellung siliziumbasierter Dünnschichtmaterialien, ist dafür ein Beispiel. Um bei solchen Prozessen die Interaktion von Magnetfeld und Strömung zu untersuchen, ist die numerische Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel. Für beliebige dreidimensionale Probleme werden entsprechende Berechnungen bisher durch eine externe Kopplung kommerzieller Programme realisiert, die für Magnetfeld und Strömung jeweils unterschiedliche numerische Techniken nutzen. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen mit unnötigem Rechenaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Methodenapparat auf Basis der FVM vorgestellt, mit welchem sich diese Art von Berechnungen effizient durchführen lassen. Mit der Implementierung dieser Methoden in foam-extend, einer erweiterten Version der quelloffenen Software OpenFOAM, ist daraus ein leistungsfähiges Werkzeug in Form einer freien Simulationsplattform entstanden, welches sich durch einen modularen Aufbau leicht erweitern lässt. Mit dieser Plattform wurden in foam-extend auch erstmalig dreidimensionale Induktionsprozesse im Frequenzraum gelöst.